数值预报方法

§2.数值预报方法20世纪初，V.Bjerknes首先把天气预报问题提成数学上的初值问题:根据某时刻实测的气象资料，通过描述大气运动的动力方程组，可以计算出将来某时刻大气的运动和状态。大气的动力方程组：rxFfvxPdtdu1—x方向运动方程ryFfuyPdtdv1—y方向运动方程rzFgzPdtdw1—z方向运动方程0Vdtd—连续方程dtdQdtdPdtdTCv—热通量方程zwyvxutdtd其中tzwyvxu,为局地变化项分别为水平输送项（平流项）和垂直输送项。直到目前为止，这套大气动力方程组还没有解析解，只能求它的数值解。于是发展了数值天气预报方法。把大气动力方程组写成如下形式：rxFfvxPzuwyuvxuutu1ryFfuyPzvwyvvxvutv1rzFgzPzwwywvxwutw1VzwyvxutdtdQVRTzTwyTvxTutTCv上述方程组的方程右边各项只与各气象要素值的空间分布有关，可以从某时刻的观测资料计算出来。也就可以计算出方程左边的各个气象要素的局地变化率，进一步计算出未来各个气象要素值的大小。数值天气预报的两种方法(1)差分法—用差分代替微分求解大气动力方程组，制作天气预报。(2)谱方法—把变量展开成球面调和函数，取有限项，通过积分运算，把偏微分方程变成以展开系数及其对时间的微商的常微分方程组，再求解。差分法制作数值预报的原理：我们把上面各方程记作FtA其中A代表u,v,w,ρ,T等变量，F代表等式右边算出来的值（用空间差分代替微分来计算）。第一步我们用初始时刻的u,v,w,ρ,T和p（通常记作u0,v0,w0,ρ0,T0和p0）计算出初始时刻的F0,这时应有：00FtA经过第一个时间步长t后变量值A1为：tFAA001由计算出的A1（即u1,v1,w1,ρ1,T1和p1）的空间分布又可以计算一个时间步长t以后的局地变化值：11FtA接着可求出第二个时间步长的A2tFAA112如此一步一步做下去，就可以求出我们所需要的某个时刻的解。这种方法看起来简单，但数值预报的实现却经过了大量的气象学家、数学家和计算机专家近半个世纪的奋斗。要解这套方程的必要条件：从气象学上，要有比较精确的三维的观测资料和处理这些资料的方法从数学上而言，要有求解这套方程组的数值方法，而且要保证其收敛性和稳定性要有高速电子计算机，才能保证每天能按时做出预报。数值天气预报包含的几部分工作1．报模式的建立。2．资料分析和初始化。3．业务数值预报。1.预报模式的建立进行数值天气预报首先要有预报模式。须将大气动力学方程组的各部分用计算的语言表示出来，存于计算机内，以便每天做预报用。建立数值预报模式的各项工作：（1）根据不同的预报要求，对方程组进行必要的简化；（2）选择坐标系，包括选择垂直坐标系和给定上下边界条件；（3）确定计算范围和垂直分层（如果是区域预报模式，则要确定侧边界条件）；建立数值预报模式的各项工作：（4）对须考虑的影响因子和物理过程（如辐射、感热交换、地形影响、湍流扩散、凝结过程等等）设计其计算方案；（5）选择数值计算方法（如差分法或谱方法），把微分方程写成差分方程或谱方程，求解。（6）编程，输入计算机，再用天气实例经过多次试验，最后形成预报模式。2.资料分析和初始化对观测资料进行处理形成初值观测资料与模式不匹配：来源于每天不同时刻来自不规则分布的观测站是标准等压面上的数据，与预报模式的垂直分层不同观测数据可能有误差和与模式不协调资料处理包括以下工作：（1）资料检误（2）客观分析（3）资料初始化（4）四维同化（1）资料检误：在气象观测和资料传递中有可能出现一些错误，分析判断出这些错误资料并加以订正或删除的过程叫做资料检误。(2)客观分析：客观分析--直接将观测资料输入计算机，由计算机将空间分布不均匀的测站观测资料插值到规则分布的格点上。采用客观分析方法需要先确定联系格点值与台站值的方程，事先编好程序放在计算机中。每次做数值预报前将观测资料输入，为数值预报模式产生初值。(3)资料初始化：不同的仪器测得的气象要素有不同的系统误差。如果把仪器的观测误差引入方程组，就等于引入了虚假的作用力。这些虚假的力往往会激发出一些快波，不但使预报结果不正确，还可能使计算出现不稳定。因此对经过客观分析的数据还要做进一步处理，使初始数据与预报模式协调。这工作称为资料的初始化。（4）四维同化：自从气象卫星升空以后，不定期的非常规的观测资料大量增加。这些卫星资料的利用，对弥补洋面和沙漠地区观测资料的不足以及适时更新预报值很有帮助。于是在初始资料处理上出现了四维同化方法。四维同化就是把不同时刻（t），不同地区(x,y）,不同高度(z)，不同性质（常规或非常规）的、具有不同观测误差的资料源源不断地输入计算机，通过一定的程序对它们进行分析处理，把它们协调起来，融合成常规的、定时的资料。为数值预报提供初值或及时更新预报值。3.业务数值预报每天按时将观测资料处理好，输入模式中运行，计算出以后若干天或更长时间的各种气象要素值，推知未来天气的变化,并对外发布预报。我国的两类业务数值预报模式国家级的预报模式区域预报模式国家级的模式(四个)：（1）全球业务预报系统：包含中期和短期预报模式。主要做天气形势预报。目前在国家气象局北京气象中心的Cray-c92计算机上运行。（2）有限区域业务模式：主要用于我国的降水预报。其空间网格距和时间步长比全球业务预报系统大大减小，分辨率高。（3）台风路径业务预报模式：每天在世界时00点和12点做两次48小时的台风路径预报。（4）环境紧急响应业务系统：对事故紧急响应，预测核污染物扩散和迁移的路径、浓度和沉降量.及时提供给WMO。1996年我国国家气象中心被世界气象组织（WMO）确认为亚洲区域的环境紧急响应中心，区域预报模式：广州，上海，武汉，沈阳，成都和兰州等区域气象中心都建立了他们自己的数值预报模式，分别用于预报他们区域的特殊的天气过程如华南台风，东海台风，长江流域梅雨期的暴雨，东北地区降水，西南地区降水和西北地区的天气预报等。§3.统计预报方法气象统计预报方法是用概率统计方法通过对大量历史资料的分析，寻找出天气变化的统计规律以及预报因子与预报量之间的数量关系，建立统计数学模式来预报未来的天气。用统计预报方法预报天气的主要工作：1．选择预报因子。2．建立统计预报方程。1.预报因子的选择：首先要积累大量的气象观测资料，在大量的气象要素中选择出与预报量有关的预报因子（特别是要注意选择有物理意义的因子）。分析预报量与预报因子之间的相关性，进行统计检验。2.建立统计预报方程：选择一种统计预报方法，找出预报因子与预报量之间的数量关系，建立统计预报方程。有很多方法用来建立统计预报方程。以回归法为例：假定我们要做温度预报，从历史资料中我们已经找到与温度(T)有关的因子若干个，设为x1,x2,x3,x4,x5,…..。可以假设它们满足以下的方程：5544332211xaxaxaxaxaT(A)把历史资料带入方程（A）中，求出系数a1,a2,a3,a4,a5,……。（通常是用最小二乘法来求）。有了系数a1,a2,a3,a4,a5,……之后，就可以用实际观测的预报因子的数据带入方程（A），求出温度的预报值。§4.动力—统计预报数值预报的优缺点：能相当准确地报出3天以内的高空、地面形势，预报准确率己超过主观预报。对气象要素（如降水、温度、风、云、能见度等）的预报，准确率不高，且耗费太多的计算时间，而且有的项目还难以直接用数值预报方法作出预报统计预报的优缺点：优点:不仅对气象要素预报，而且对形势预报也取得了一定的成效。缺点:缺乏物理基础，特别是对预报量有时间滞后的预报因子的相关关系的优良性不容易提高统计关系的稳定性也不够好。1959年Klein等人首先提出了应用数值预报产品制作局地天气预报的方法，从而开创了把客观预报的两大分支——数值预报和统计预报结合起来的动力一统计预报方法。目前在数值预报产品释用中，最常用的方法有完全预报方法和模式输出统计方法。1．完全预报方法(1)利用历史观测资料和统计方法来确定局地气象要素的预报方程，(2)把数值预报模式的输出结果代入统计预报方程中制作预报。这个方法是假定模式输出值与实测值完全一致的，即它认为数值预报是完全对的，所以称为完全预报方法。2．模式输出统计方法：此方法与完全预报方法的差别是其预报因子是从数值预报模式输出的归档资料中选取的，用这些因子确定统计预报方程后，在做预报时，就把数值预报输出结果代入预报方程中。这种方法简称MOS法。优点是在建立预报方程时自动地考虑了数值预报的系统误差，同时大量利用了数值预报的物理量场，效果较好。§5.卫星、雷达探测资料的应用一．气象卫星探测资料的应用卫星自上而下观测地球大气，所拍摄的云图直观、形象，加深了预报人员对天气系统的理解，特别是在资料稀少的高原、沙漠、海洋上，卫星资料起着更为重要的作用。卫星图像提供了在空间上连续的资料，从而提高了预报员解释常规观测报告的能力。因而卫星资料的应用促进了天气预报准确率的提高。在实际工作中，可以应用卫星探测资料估计降水，分析和预报热带气旋、对流尺度天气和天气尺度系统。§6.雷达探测资料的应用雷达能够迅速、准确、细致地测定降水区的位置、范围、强度、性质，以及它们随时间的变化情况，它是一种掌握降水动态和提供降水临近预报的有效工具。自1950年代以来，天气雷达在中尺度天气研究中发挥了重要的作用。S波段(10cm)和C波段(5cm)天气雷达所观测到的回波，绝大多数来自于降水，它能够随时探测到测站周围一定范围内降水的发生、发展、消散以及移动等情况。多普勒雷达可以探测到降水云内和晴空大气中的水平风场和垂直风场，降水滴谱和大气湍流等，可以探测冰雹、龙卷、下击暴流等。由于雷达提供频繁的、详细的、空间连续的观测资料，它与静止气象卫星一起，成为识别重要的中尺度天气现象的极为有用的工具，在灾害性天气的预报中起着重要的作用。§7．天气预报业务现代化系统简介：天气预报作为一种实用技术，其发展离不开大气科学理论和其他相关科学技术的发展与进步。在大气观(探)测技术、数值天气预报和计算机可视化技术迅猛发展的推动下，天气预报业务正向着自动化、客观化、定量化、综合化和智能化方向发展。“气象信息综合分析处理系统(MICAPS)”一个与通讯、数据库配套的，支持天气预报制作的人机交互系统。其主要用途是为预报员提供一个业务预报工作平台，它集气象信息显示(包括各类常规天气图表、卫星云图、传真图、指导预报图等)、国家地理数据(诸如行政区域图、地形地貌图、湖泊河流、城市与台站资料、主要铁路和公路等)、历史气象数据(如气温、降水量极值等)、人机交互处理和气象预报服务产品加工为一体。