第三章中期數(shù)值天氣預(yù)報一、數(shù)值天氣預(yù)報概念：根據(jù)大氣動力學(xué)和熱力學(xué)定律，建立基本方程組，應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方程的數(shù)值積分方案，對未來的天氣形勢和氣象要素作出預(yù)報的方法。二、中期數(shù)值天氣預(yù)報歷史1、國外：（1）世界上第一位企圖做數(shù)值天氣預(yù)報的是英國的科學(xué)家Richardson，但由于只有一臺手搖式小計算機，另外他的模式中包含了大量的物理過程，因而影響了他的工作，所得結(jié)果與實際不符。（2）20世紀(jì)40年代，世界上第一臺電子計算機的問世，數(shù)學(xué)家JohnvonNeumann解決的第一個問題是預(yù)報天氣形勢。以Charney

為首的一批科學(xué)家在其第一次數(shù)值天氣預(yù)報中是用濾去聲波和重力波的簡化方程組，因過于簡單未成功。（3）1956年，Phillips在這個簡化方程組中加了幾個強迫作用項，進(jìn)行長期積分，給出了大氣環(huán)流的許多特征。（4）此后，數(shù)值天氣預(yù)報迅猛發(fā)展。到20世紀(jì)70年代中期以來，由于波譜技術(shù)的應(yīng)用，所以目前許多國家都采用譜模式制作全球或半球的中期數(shù)值天氣預(yù)報，并取得了較大的成功，其中，以ECWMF的中期數(shù)值天氣預(yù)報水平最高。2、國內(nèi)：（1）我國中期數(shù)值天氣預(yù)報起步較晚，發(fā)展較快

。（2）1976年中國科學(xué)院大氣所發(fā)展了我國第一個原始方程組數(shù)值預(yù)報模式，為我國開展中期數(shù)值天氣預(yù)報奠定了基礎(chǔ)，（3）國家計委于1984年5月正式批準(zhǔn)了國家氣象中心以建立中期為主的數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的擴(kuò)建工程項目，國家科委也把發(fā)展中期數(shù)值天氣預(yù)報定為“七五”期間重點科研攻關(guān)項目。經(jīng)多方面專家的反復(fù)研究和科學(xué)論證，國家氣象中心決定引進(jìn)ECMWF的波譜模式預(yù)報系統(tǒng)。（4）1990年1月，國家氣象中心在ECMWF的波譜模式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的中期數(shù)值天氣預(yù)報T42L9的譜模式和整個中期數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)一起投入業(yè)務(wù)運行，經(jīng)過一年的預(yù)報實驗，證明了系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，并于1991年1月正式轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)運行。第一節(jié)中期數(shù)值天氣預(yù)報的物理基礎(chǔ)

一、基本方程組1.基本方程組的一般形式(3.1)2.適于中期數(shù)值天氣預(yù)報的球譜模式的基本方程組（不考慮水平擴(kuò)散和非絕熱項）P24~258個方程(1)絕對渦度方程（3.2）(2)散度方程（3.3）(3)熱力學(xué)方程（3.4）(4)狀態(tài)方程(3.5)(5)水氣通量方程(3.6)(6)地面氣壓的傾向方程(3.7)坐標(biāo)中的垂直速度方程(3.8)(8)P坐標(biāo)中的垂直速度方程(3.9)3模式大氣的垂直分層和變量的位置4.短、中模式大氣的含義比較必須根據(jù)不同時空尺度大氣運動的特點和預(yù)報時效的長短等設(shè)計各種能近似地考慮摩擦、非絕熱加熱和水氣源匯影響的大氣模式。超過3-4天的預(yù)報就必須考慮海面對大氣的影響，這時所需要的初始資料至少要北半球范圍，甚至還要擴(kuò)展到另一個半球。對于一周以上的預(yù)報，則需要使用包括大氣和海洋各種動力過程的完整的動力學(xué)模式，需要全球各層的觀測資料。預(yù)報時效越長，需要考慮的物理過程越多，所需初始資料越多。二、控制大尺度大氣運動的主要物理過程及其參數(shù)化（一）大氣內(nèi)部非絕熱加熱作用1.輻射熱流量（短波（臭氧、云等）、大氣內(nèi)部長波（云、CO2、水汽等））2.凝結(jié)熱流量（1）大尺度凝結(jié)（鋒面），（2）小尺度對流凝結(jié)。小尺度對流凝結(jié)參數(shù)化方法有兩種方案：（對流調(diào)整方案（空氣飽和、空氣未飽和）、水汽輻合方案（郭曉嵐方案及假設(shè)、積云產(chǎn)生的條件、模式云、降水））3.湍流熱量（大氣內(nèi)部各層之間溫度差異）（二）下墊面的影響

1、下墊面的熱力作用感熱、水汽輸送（潛熱）、長波輻射。2、地形的動力影響（阻塞、摩擦、繞流、爬坡），如青藏高原、落基山（背風(fēng)槽和龍卷風(fēng)）。3、其它（植被、水面、土壤濕度和溫度等）

地形描寫不好是我國降水模擬不好的主要原因之一。（三）行星邊界層和邊界條件對大氣運動的作用1、行星邊界層距離地面1~1.5km。2、下墊面供給大氣熱量和水分的實質(zhì)表現(xiàn)為動量通量、熱量通量和水汽通量，都發(fā)生在行星邊界層內(nèi)。這些通量要到達(dá)自由大氣，必須通過行星邊界層。3、用大尺度運動變量來表達(dá)行星邊界層內(nèi)的小尺度過程，這就是所謂的參數(shù)化方法。（四）大氣的邊界處理（上、下、側(cè)邊界）。第二節(jié)歐洲中期天氣預(yù)報中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)一、幾種預(yù)報模式預(yù)報水平的比較

ECWMF最高，日本氣象廳次之。二、ECMWF資料的四維同化它的基本思想是假定觀測資料有充分的準(zhǔn)確性，在全球模式數(shù)值積分期間可以使用任何觀測資料來代替預(yù)報值，只有當(dāng)沒有觀測資料可用時才利用預(yù)報值，ECWMF使用這種間斷式同化方法，主要目的是為本中心的業(yè)務(wù)預(yù)報模式提供初始場。三、物理過程參數(shù)化輻射參數(shù)化地形重力拖曳力效應(yīng)參數(shù)化地表植被層參數(shù)化第三節(jié)中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的解釋與應(yīng)用中國氣象局氣象事業(yè)發(fā)展的總規(guī)劃：建立起“以數(shù)值天氣分析預(yù)報產(chǎn)品為基礎(chǔ)，結(jié)合運用動力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、天氣學(xué)、人工智能等方法，結(jié)合本地區(qū)的天氣、氣候特點和預(yù)報員經(jīng)驗，發(fā)展具有本地區(qū)特點的預(yù)報技術(shù)、方法，進(jìn)行分片或分地區(qū)預(yù)報，以加強對基層氣象臺站的天氣預(yù)報指導(dǎo)能力和提高本地區(qū)天氣預(yù)報準(zhǔn)確率，建立和健全從中央到地縣由上向下逐級指導(dǎo)、大中小尺度相結(jié)合的適合我國國情的天氣預(yù)報業(yè)務(wù)技術(shù)流程和災(zāi)害性天氣預(yù)警系統(tǒng)”（新的氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略）釋用的概念：

指在數(shù)值預(yù)報模式輸出產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合預(yù)報員的經(jīng)驗，考慮本地區(qū)的天氣、氣候特點，綜合運用動力學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、天氣學(xué)、人工智能等各種方法對模式輸出的產(chǎn)品進(jìn)行解釋和再分析，并經(jīng)過必要的訂正，應(yīng)用于本地區(qū)的天氣預(yù)報。釋用的必要性

1.業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報模式的局限性（預(yù)報結(jié)果存在誤差，需要修正、訂正）。（1）計算機的能力和速度限制了模式的水平分辨率和垂直分辨率的提高，導(dǎo)致誤差（連續(xù)場變?yōu)殡x散場）。（2）計算機能力的限制制約著模式中物理過程參數(shù)化方法的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致誤差（靜力平衡－非靜力平衡）。（3）模式初始場與大氣真實場之間有差異導(dǎo)致誤差。（4）格點預(yù)報量向站點要素量轉(zhuǎn)換時的誤差。（5）模式量轉(zhuǎn)換為要素量使用的統(tǒng)計關(guān)系和診斷方程導(dǎo)致誤差。釋用的必要性2.目前氣象業(yè)務(wù)單位所能得到的中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品主要是500hPa

高度場、地面氣壓場等形勢場預(yù)報結(jié)果，但氣象保障服務(wù)要求的是具體的氣象要素預(yù)報，所以必須將形勢預(yù)報轉(zhuǎn)化為具體的要素預(yù)報，才能真真的發(fā)揮中期數(shù)值預(yù)報的作用。釋用方法

天氣學(xué)釋用、統(tǒng)計學(xué)釋用、動力學(xué)釋用、人工智能釋用、有限模式增強預(yù)報、專業(yè)數(shù)值預(yù)報模式、動力延伸預(yù)報、人機對話實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)。一、天氣學(xué)預(yù)報方法的移植和應(yīng)用：即根據(jù)中期數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品提供的天氣形勢預(yù)報結(jié)果，應(yīng)用天氣學(xué)基本原理進(jìn)行物理分析，判斷在這種天氣形勢下可能出現(xiàn)怎樣的天氣過程。在結(jié)合預(yù)報地區(qū)的自然地理條件等因素，作出具體的要素預(yù)報。二、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的誤差分析和訂正：

系統(tǒng)誤差。第四節(jié)中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品應(yīng)用的自動化系統(tǒng)一、基本思想和關(guān)鍵技術(shù)1、基本思想：客觀化：不會因操作人員的因素而改變預(yù)報結(jié)果。定量化：結(jié)論是定量的，不會因不同的用戶而產(chǎn)生不同的理解。自動化：系統(tǒng)可以自動地采集所需中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，并作必要的加工處理最后自動輸出預(yù)報結(jié)果。2、關(guān)鍵技術(shù)（1）中期數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的采集和處理技術(shù)：根據(jù)地理位置，選擇一份或多份報文；報文拼接；譯碼、檢