数值课件天气预报基础

数值天气预报基础(朱禾制作)第一讲现代数值预报的发展数值预报的发展数值预报在现代天气预报中的地位和作用气象预报的四个方面问题当前的天气或气候信息—完备的综合观测系统

完善的观测系统；资料信息识别；资料的综合处理（同化）天气或气候的演变规律—从资料得到新认识

从资料得到新认识；反映大气运动数学物理规律的微分方程组。外力和强迫的变化—地形和边界强迫；太阳常数；引力等从已知预报未来的手段—完备的数值模式；承载数值模式计算、显示和通讯平台驾驭观测、资料分析和数值模式发展和应用的人才队伍气象学的精髓是要掌握在地球系统多圈层相互作用影响下大气的动力、物理和化学的演变规律，依据已知的信息，预知大气未来的演变过程和状态。非线性多尺度多圈层相变（跃变）多种强迫和反馈动力、物理和化学综合人们预报天气的实践自古有之，数值天气预报是从上个世纪20年代才开始发展进入实践的一门新兴天气预报技术。数值天气预报（NumericalWeatherPrediction）：是通过用数值方法求解支配大气运动的流体动力学和热力学方程组，来预报未来的大气环流形势和天气。特点：数字化，定量客观。数值预报的发展历程数值预报的观念始于1904年，挪威气象学家，VilhelmBjerknes提出定量预报是一个数学初值问题。只要知道大气的初始状态，便可以从求解一组描绘大气运动的数学方程组中得到未来天气的演变。1922年Richardson将这一概念带入实践—现代数值预报的第一个里程碑。虽然，Richardson的实验结果使人沮丧，以至其后20多年里数值预报无人问津，但现代数值预报的发展确实是按照Richardson当年的思路在发展。他不仅确立了现代数值预报的基本观念，也提出了解决这一问题的具体方法。

现代数值预报的基础：

1916－1918年，Richardson(英数学家）所作的实践。并于1922出书总结，预报结果是失败的，且按当时的计算条件是不可能赶上预报实效的。 虽然他的实践失败了，但现代数值预报技术与Richardson当年的方案有着惊人的相似之处。因此，Richardson的实践被认为是——现代数值预报的第一个里程碑。大气运动可以用一组代表大气运动的动、热力学方程组来表示。未来大气的状况可以通过数值求解上述方程组获得，在数学上看，上述求解过程是解决一个初值问题。L.F.RichardsonRichardson实验失败的主要原因方案过于普遍化，对大气波动和数值计算中的一些基本理论问题认识不够。大气变化实际上是多种波动的叠加，其中代表天气意义的变化的波动是那些波长比较长、变化比较缓慢的波动，他们可能是其他一些更短的波动的平均结果。短波意味着时空尺度小、移动变化快。因此，如果我们对预报的初值不加处理或处理不好，都会造成初始状态的不平衡，由此产生快速移动的重力波，随着时间积分的进行，重力波的发展掩盖了预报中气象信号的初始变率。而且Richardson的计算方案也没有考虑应满足Courant,Friedricks,Lewy三人在1928提出的计算稳定的条件，因此计算结果只能是导致“计算崩溃”。重力波的振幅虚假地增大，完全掩盖了天气波动的发展。观测网的极端稀缺和计算量的巨大也是阻碍Richardson成功的两大因素。以至于其后很长一段时间没有人愿意冒险沿着Richardson的足迹继续走下去。当时一战前，人们对大气的了解主要还是依靠放置于地面上的观测仪器所获得的。无线电通信、无线电探测、航空飞行都还不发达。对高层大气的了解基本是空白。只是依靠有限的高山站的数据推测得出。美国人曾经使用风筝携带仪器探测大气。受资料和通信的限制，实时预报是不可能的，即使只是根据事后收集的数据作实验计算，恶劣的初值和边界条件就足以导致计算失败。更何况Richardson当年并没有意识到上一条中提到的初值处理的重要性。科学思想的提出与最初的试验VilhelmBjerknesIn1904,V.Bjerknesdeclaredtheproblemofprognosisastheintegrationoftheequationsofmotionfortheatmosphere...thatfuturestatesoftheatmospherearedictatedbyitsdetailedinitialstateandknownboundaryconditions.

L.F.RichardsonIn1922,L.F.Richardsonlaidoutanumericalmodelandperformedthefirstcomputations(byhand).CRNP历史回顾“数值预报的复兴”之路1950年Charney(美）等人借助于世界上第一台计算机制作出世界上第一张北半球500毫巴24小时形势预报，预报场与实况相关系数达0.75——第二个里程碑。从此数值预报走入实践，并得到迅速发展。“WeatherForecastingbyCalculatorRunbyElectronicsisPredicted”

NewYorkTimes,11January1946,p.12.1946ENIACJulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949（ElectricalNumericalIntegratorAndCalculator）CRNP历史回顾世界上第一张成功的数值天气预报图：500mb高度场和涡度场（变高变涡场）初始24hrs观测24hrs变高、涡24hrs预报JulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949Charney的成功的经验：“人们不再试图去处理大气所有的复杂性，而满足于较好地近似于实际大气运动的简化模式。他们通过仅仅一些被认为对大气运动最有影响力的因子所构成的模式开始，再逐步增加其他的因子，这样不断吸纳新因子就可以将此项工作开展下去，避免由于同时将大量的不甚了解的因子同时引进而不可避免要遭遇的陷阱。”促进数值预报迅速发展的因素：探空技术及先进的探测技术的发展—为预报提供了必要食粮。通讯技术的发展—为业务预报资料的收集提供的必要的手段。动力气象和天气学的发展—为各种模式的发展提供了理论。计算机和计算技术的发展—是NWP实现的必备工具。近代数值预报的发展：预报范围扩大：时间上：短期、中期、长期、气候、古气候恢复。空间上：局地、全球、空间大气中的各种物理过程的描述更加细致。地形、辐射、行星边界层、积云对流、海气相互作用、微量气体。计算理论不断改进、资料处理更加完善。预报准确率不断提高、产品更加丰富。因此，数值预报已成为现代天气预报的基础。——数字化，定量客观，已包括、可以包括现代天气预报除观测技术外的所有方面。资料处理、产品再生成与分析、可示化…基于物理规律的数值预报理论的发展，使人类可以利用计算机重现或预测发生在自然界的天气变化过程。这是地球科学由“定性”走向“定量”的重大进步。数值预报理论和技术水平越来越高，应用领域越来越广泛，数值预报技术已被认为是未来解决天气预报、气候预测等问题的根本科学途径。数值天气预报理论和应用是过去一个多世纪以来地球科学的最重大进步和成就之一。数值模式的整体水平是国家气象综合水平的集中体现。早期的业务数值预报1954瑞典1958美国1959日本1962年美国建立了第一个业务的斜压准地转模式，英国在1965紧跟其后。1966年第一个全球原始方程模式在美国国家气象中心运行70年代就出现了多个全球的、半球的和区域的各式各样的原始方程模式了。70年代中期大气环流模式已可用于长时间积分进行气候模拟。Richardson梦想“数值预报工厂”。1975年欧洲科学技术合作计划开始，其中为加强数值天气预报很快成立了ECMWF。第一个实时中期预报于1979年6月完成，1979年8月1日开始业务中期天气预报，标志着数值天气预报走向成熟。数值模式的先驱们经过了一个世纪赋有挑战性的创新工作，奠定了现代数值模式发展的基础。1904-1950s：数值模式的酝酿期1950s-1960s：数值模式架构的完善期1960s-1980s：大气环流模式的发展1980s-1990s：完善物理过程和资料同化1990s之后：耦合模式的发展科学家们的努力—未来的10年精细的短期预报。用风暴尺度模式预报灾害性天气。较完善的资料同化系统。可以最大限度地从观测中提取有用信息，尤其是可以把卫星雷达等非直接观测的遥感信息加入到资料同化系统中。改进中期预报，尤其是通过使用集合预报方法改进中期预报的水平。对由集合预报指示的预报误差快速增长区，增加观测。发展更为完善的海-地-气耦合模式。发展各种更高效的计算方法。为政府决策及公众服务提供更多、更细致、更广泛的预报参考。诸如空气污染、公路状况、河流洪水预报、污染物扩散、健康保险等。这里提到的许多方面都是属于非传统的气象服务领域。而数值预报是我们可以依靠的最主要手段。24小时预报误差相当于大气探空观测误差水！欧洲中心数值预报水平检验的逐年变化

5天的形势预报准确率达85%以上！可用预报达一周！美国国家飓风中心对大西洋飓风路径预报误差122436487296120ForecastPeriod(hours)0100200300400500Error(nauticalmiles)1964-19731984-19931974-19831994-2002Isabel2003kmms1hr1d1m1y10yseasonalclimatesynoptic临近预报短期中期长期季、年气候typhoon现代数值天气预报正向两方面发展：一方面试图解决大尺度、全球、季、气候预报；另一方面，局地的、小尺度问题。典型天气系统的时间和空间尺度我国主要发生的自然灾害：

—气象是一种灾害或资源？台风梅雨、暴雨、洪水干旱寒潮沙尘暴全国气象自然灾害损失平均占国家GDP的3~6%

。FlashFloodingJuly102004Beijingdowntown125mm/4hrnearCMA2012北京7.21暴雨2012年7月21日，北京城遭遇今年以来最大的雨，总体达到特大暴雨级别。一天内，市气象台连发五个预警，暴雨级别最高上升到橙色。截至22日2时，全市平均降雨量164毫米，为61年以来最大。其中，最大降雨点房山区河北镇达到460毫米。暴雨引发房山地区山洪暴发，拒马河上游洪峰下泄。截至22日17时，暴雨洪涝灾害造成房山、通州、石景山等11区（县）12.4万人受灾，4.3万人紧急转移安置。全市受灾人口190万人，其中房山区80万人。23日，据初步统计，全市经济损失近百亿元。据央视新闻报道，北京“7·21”特大自然灾害已造成77人遇难。数值天气预报的先进性

预报是建立在一组对大气运动规律了解了的数学物理方程组上。代表了定量可观化的预报方向。可以预报天气的极值变化。目前气象上几种预报方法比较天气学方法以天气图云图、观测为基础，方法有变高平流等。物理机制清楚，主观能动性强。统计预报以要素的时间、空间序列为基础，用相关、回归等统计方法作预报。定量客观，灵活。数值预报要素，观测，天气图等，代表大气运动的动热力学方程组，物理机制清楚，定量客观，自动化。天气尺度波动与高频重力波的叠加

经验预报方法（天气谚语，物候学）天上豆荚云,地上晒煞人日出日落胭脂红,不雨就生风蚂蚁搬家,有雨要下天气学方法（天气图预报方法）气象雷达、卫星观测定性诊断分析方法此外，还有相似法、统计法等数值预报产品是如何制作的？初始状态未来状态数值模式对演变规律的综合理论认识外力和强迫数值预报流程图气象观测资料资料同化数值预报模式模式后处理

数值预报释用产品分发

中央计算机群系统通信及计算机传输网络通信及计算机传输网络资料同化逐时刻“推算”未来天气演变数值天气预报原理空间格点逐一格点求解一组数学方程数值模式天气演变图数值预报系统应包括的部分客观分析和资料同化系统—主要解决从观测资料到模式可用资料的数字转换。初始化过程－去除资料中的干扰。数值模式—一组数理方程组(干模式）物理过程参数化—描述大气中辐射、行星边界层、积云对流、海气相互作用、微量气体等（湿模式）。数值产品的后处理—包括分析诊断再加工各类产品、图形化显示。数值预报分类不同对象的数值预报所使用的技术方案与预报产品都有很大区别，例如一般的数值天气预报关注并预报具体的天气过程与气象要素的演变，而短期气候模式预测则关注、预报月与季节尺度的冷暖、旱涝趋势而不是具体的天气过程。根据预报对象的时间尺度：短期数值预报中期数值预报气候模式预测根据空间范围和尺度：区域数值预报中尺度数值预报全球数值预报科研和业务模式，准业务模式天气和气候(大气)模式研究的区别研究对象：单一大气

耦合系统关注目标：瞬时结果

平均状态关键变量：降水

温度关注内容：演变过程

能量收支

精度

稳定和守恒水汽过程：凝结降水

云辐射强迫

CISK

云辐射反馈决定因素：初值

强迫和反馈同化物理和化学规律数值模式是天气预报不可缺少的和气候预测最具潜力的工具。数值模拟是加强对天气和气候系统演变规律认识所不可替代的工具，是提高理论认识的重要途径。对天气气候演变规律的准确认识都会在数值模式中得到体现。数值模式的整体水平是一个气象强国气象综合水平的集中体现。数值模式的重要地位数值模式要求有准确的和完整的初值推动了现代观测技术的发展，也加速了高科技在气象领域的应用。对高分辨率数值模式的需求和数值模式计算的复杂性推动着超级计算机在气象科学上的及时应用。数值模式海量的数据处理和通讯推动着气象信息技术的需求和发展。数值模式的不确定性分析是推动气象科学研究和气象观测试验和观测布局的最重要环节。数值模式从单一大气到包括人类活动在内的多圈层耦合，既是数值模式的完善过程，也是气象事业的发展需求数值模式丰富的诊断产品为拓展气象服务起重要的牵引作用数值模式发展对气象事业整体发展有重要推动作用第二讲我国数值预报的发展

我国数值天气预报的发展起步并不算晚。从上个世纪50年代开始，1955年图解法－数值预报尝试。顾震潮先生图解法开拓我国数值天气预报研究与应用的老前辈早在1955年前，以顾震潮先生为代表老一辈科学家就开展了NWP的研究探索中科院大气所：陈雄山，朱抱真，曾庆存，周晓平等中央气象台NWP小组：廖洞贤（组长），杜行远（副组长），丑纪范，纪立人，黎光清等他们对我国数值预报的发展功不可没！1959,500hPa高度场48hr预报,过滤模式。1965,向全国发布数值预报产品。1973.3,北半球3层原始方程模式—A模式。1982,北半球5层原始方程模式—B模式。1991,T42L9—三角截断42个波，9层全球谱模式(由ECMWF引进).现在已更新到：T63L16(1995),T106L19(1997),T213L31(2002).T639(2008)从过滤模式到B模式，我们一直依靠自己的技术发展。但随着改革开放，我们也欢迎引进国外的各项先进技术。中期数值预报模式（李泽椿、纪立人等）2层全球格点模式（曾庆存、梁信忠等）4层海洋环流模式（张学洪等）HLAFS模式（张玉玲、郭肖容等）p-混合坐标模式（钱永甫等）YH模式（颜宏等）TL系列模式（薛纪善等）REM-坐标（宇如聪、曾庆存等）海气耦合模式（曾庆存、张学洪等）短期气候预测动力模式系统（BCC，IAP等NIM（RAPAR-nim模式））耦合气候系统模式（IAP等）

80年代开始建立数值预报业务

以引进国外先进的模式与同化方案为主,建立业务数值预报系统全球中期预模式的发展

(1)T42L9中期预报系统

(2)T63L16中期预报系统

(3)T106L19中期预报系统

(4)T213L31中期预报系统有限区数值预报业务系统的发展

(1)LAFS有限区分析和预报系统

(2)HLAFS有限区同化预报系统及改进近十多年数值天气预报业务的显著发展

——基本数值天气预报业务系统时间模式水平分辨率垂直分辨率分析同化计算机1991.6T42L9320KM9-

层OICYBER1992.3LAFS200KM15-

层OICYBER1995.6T63L16200KM16-

层OICRAY-C921995.5HLAFS110KM15-

层OICRAY-C921997.6T106L19120KM19-

层OICRAY-C921998.40.5HLAFS55KM20-

层OICRAY-C922002.9T213L3160KM31-

层OIIBM-SP2003.30.25HLAFS27KM20-

层OIIBM-SP2006.8GRAPES-Meso30km31-

z

层/35km3DVarSPCLUSTER16002006.12T213/SSI

60KM31-

层3DVarSPCLUSTER1600国家气象中心数值预报最近10多年的发展时间业务模式系统计算机1996.5区域台风路径预报系统（MTTP）CRAY-C921998.x2001.9核污染扩散传输模式系统核污染扩散传输模式系统(HYSPLIT4)CRAY-C92DEC-ALPHA1998.62000.82004.6北京地区中尺度模式系统华北地区中尺度模式系统（HB-MM5）NMC中尺度模式系统SP-2神威-11999.x2004.9森林火险气象条件预报(模型)森林火险气象等级预报系统CRAY-C92IBM-SP2000.3中期集合预报系统T106L19/32成员神威-12001.6城市空气质量预报系统(47个城市)神威-12004.3沙尘数值预报系统DEC-ALPHA2004.6紫外线等级预报系统IBM-SP2004.6全球台风路径预报系统IBM-SP2005.x海浪数值预报系统IBM-SP2005年7月15日00时预报的05号台风海棠的850hpa风场演变动画图0~24h24~48hProvidedbyZhouBinofNWPD/NMC中尺度模式的改进（27km*9km）2004年业务2005年4月17日20时起报——地面沙尘浓度蓝色数字为地面实况15小时预报18小时预报39小时预报开县高桥镇有毒气体扩散传输路径（23日22时-26日20时)0-500米高度内传输路径1500米高度上传输路径3000米高度上传输路径开县高桥镇48小时内有毒气体影响到地面的区域分布（23日22时-25日20时)重庆井喷事故应急响应决策服务产品污染物扩散紧急响应成就建立了较为完整的业务数值预报体系为业务预报提供了丰富的产品壮大了业务与研究队伍不足:

模式系统的技术发展升级慢计算机与观测资料的改进没有有效贡献于预报的改进结果:预报质量与先进水平及业务需要差距大挑战:

面临不断增长的服务需求的压力与国际数值预报先进水平的差距可能加大国家对气象现代化的投入期待回报数值预报发展回顾我国经过近二十年多年的科技攻关，使得数值天气预报也有了很大的发展，先后建立了从中尺度、短期天气，到中期天气、短期气候的数值预报体系。以数值预报技术为基础，结合其它方法建立起来的现代综合气象预报系统，已成为我国气象工作者进行天气气候分析和预报的重要手段。但是，当前我国的数值预报水平与发达国家的先进水平相比，仍有较大差距：已经投入业务紫外线指数预报系统——2003年空气质量预报系统——2001年森林火险气象条件预报系统——1999年核污染扩散传输预报系统——1998年(2002年升级)

准业务沙尘暴预报系统——2004年台风路径数值天气预报系统建立了台风路径数值天气预报系统：◆

1996年5月区域台风路径数值天气预报系统（MTTP）投入业务应用，有台风时每天两次提供48小时预报。◆

2004年7月基于T213L31的全球台风路径数值天气预报系统（GMTTP）进入准业务化运行，在台风季节每天运行4次，预报时效120小时，较大地提高了台风路径数值天气预报水平；2006年1月GMTTP正式业务化。◆采用初始涡旋形成技术、重定位技术、和涡旋初始化技术，实现和建立了台风预报和基于SSI三维变分同化技术的全球中期预报一体化系统。试验结果表明，该系统的路径预报效果全面优于业务系统。◆建成了基于全球中期集合预报系统的台风全球集合预报系统ForecastsofKatrinafor12UTC,Monday29AugustOperationalT511L6072hforecast36hforecastOperationalT511L60TestT799L91TestT799L91++++全球业务模式T213预报水平与技巧T213夏季500hPa环流形势可用预报时效北半球5天；东亚4天比3年前延长了1天左右比EC模式短1.5天、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小时降水TS评分晴雨0.6(60%)；大雨0.1(10%)；暴雨0.05(5%)比3年前，晴雨提高了5%；大-暴雨提高了2%左右比日本模式，晴雨低1-3%；但大-暴雨略高与德国模式预报技巧基本相当2002年3月20日08北京时沙尘天气地面实况观测——杨沙——沙尘暴——强沙尘暴沙尘模式预报的同一时刻的地面沙尘浓度（毫克/立方米）GRAPES_MESO模式（6km）预报降雨场：雨带、强中心、出现时间均与实况很接近！TyphoonRananim(云娜)landedinZhejiangprovinceon12~13August2004,causedaheavyrain:observation(black)and24hrsforecastbyGRAPES。Rainy(red)areaandintensityingoodagreement(fromWangYu).全球中期业务数值天气预报的演变国家气象中心业务数值预报演变(北半球500hPa高度场均方根误差)0204060801008283848586878889909192939495969798990123456RMSE48h96h144h50rmsBT42L9T63L16T106L19T213L31

T213-D3T213-D5T213-D7

、、

分别T213L31（2003年）7月份3、5、7天预报500hPa距平相关系数

提高业务数值预报水平，缩小差距满足国家经济发展和社会进步对气象服务的增长需求差距达15年以上！

模式

预报的主要侧重点T213L31预报1-10天内全球大尺度环流的演变、大范围降水的发生发展等，如高空槽脊、副热带高压，地面高、低气压和冷、暖锋面，大范围雨带等0.25

HLAFS对中国区域的降水进行短期（60小时以内）预报，如降水发生区域、降水强度、降水出现时段等台风模式（60/50km)专门针对发生在西太平洋-我国沿海的台风，进行其中心位置、移动路径的中短期（96/48小时内）预报中期T106集合预报对未来1-10天，特别是第5-10天期间、全球大尺度环流和大范围降水发展演变的可能性（即概率）进行预报

中尺度(基于MM5,27-9km)预报京津及其它地区气象要素短时间（48小时）的连续变化，如气温、风、相对湿度、降水量等间隔3小时的预报类别

与数值预报系统的关系空气质量预报MM5模式提供边界层内格点的水平平均风速、位势高度、温度、地面降水量，作为无源参数的箱格预报模式计算污染物浓度、污染指数所需的气象参数森林火险气象等级预报T106、HLAFS预报资料和实时观测作为火险隐患区判别数学模型的输入数据核污染扩散传输预报在T106模式中嵌套并同步运行扩散模式，预测核污染物扩散迁移路径、浓度及干/湿总沉降紫外线指数预报在T106模式中接入大气辐射传输模式，并同步运行，由T106模式为大气辐射传输模式提供输入资料沙尘暴预报（正在开发）以T213分析和预报作为沙尘扩散传输气象背景条件的初值和区域大气模式的侧边界资料。拥有独立的起沙模式和沙尘扩散传输模式T213数值预报业务系统流程通信要素库Alpha场库IBMSP并行后处理预处理并行全球预报并行中期全球预报T213L3110天预报集合预报T106L1932个样本神威中尺度预报6公里神威并行全球分析存档格点场图形显示检验评价中央各部委电视IBMSP6节点/48CPU区域分析预报0.25°HLAFSIBMSP区域台风预报50kmMTTPC92/神威CRAY-C92（T106L19场库）初估场的生成（9:30）ALPHA机（要素库）观测资料的提取处理（10:30）河南省气象台NMC天气预报室北京市气象台河北省气象台天津市气象台华北地区中尺度数值预报系统流程图山东省气象台山西省气象台内蒙区气象台局域网远程网神威（SW-I）分析、初值的形成（10：45）神威（SW-I）Nudging同化、预报（11：00）神威（SW-I）后处理插值、产品的生成（2：20）9210卫星通信NMC数控室模式降水预报水平与技巧T213夏季/冬季500hPa环流形势可用预报时效北半球5天/6-6.5天；东亚4天/5-5.5天比T106L19延长了1天左右比EC模式短1.5天左右、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小时降水TS评分晴雨0.6(60%)；大雨0.1(10%)；暴雨0.05(5%)比3年前，晴雨提高了5%；大-暴雨提高了2%左右比日本模式，晴雨低1-3%；但大-暴雨略高与德国模式预报技巧基本相当拓展的环境气象模式预报系统已经投入业务紫外线指数预报系统——2003年空气质量预报系统——2001年森林火险气象条件预报系统——1999年核污染扩散传输预报系统——1998年(2002年升级)实时预报或准业务沙尘暴预报系统环境气象模式预报类别

与主要数值预报系统的关系城市空气质量预报系统（CAPPS)MM5模式提供边界层内格点的水平平均风速、位势高度、温度、地面降水量，作为无源参数的箱格预报模式计算污染物浓度、污染指数所需的气象参数紫外线指数预报系统辐射传输模式与T213模式耦合，T213模式积分过程中的一些中间量作为辐射传输模式的输入值，计算UV辐射通量，即预报UV辐射强度核污染扩散传输预报T213预报结果作为污染扩散传输模式（NOAA的HYSPLIT4）环境场输入资料，预测核污染物扩散迁移路径、浓度及干/湿总沉降沙尘暴数值预报系统与T213模式单向非同步嵌套，主要预测沙尘含量、垂直沙通量、沙尘干/湿沉降等二、沙尘暴数值预报系统（在引进邵亚平博士的沙尘模式基础上开发建立）根据风蚀现象发生的物理机制，模拟风蚀现象的各个部分，包括起沙、输送、沉降集成的沙尘暴数值预报系统包括四个部分大气预报模式、风蚀方案、陆面方案地理信息及遥感监测数据集目前可以预报

沙尘浓度(

gm-3)

起沙量(kgkm-2d-1)

沉降量(kgkm-2d-1)

摩擦速度(ms-1)

临界摩擦速度(ms-1)etc.国家气象中心台风路径数值预报预报业务系统T639-新一代全球中期数值天气预报业务系统国家气象中心新一代全球中期数值预报业务系统TL639L60于2008年6月1日正式业务运行，其产品通过9210下发。T639模式本身能提供0.28125度的产品，但在9210下发的产品经过稀疏化处理，分辨率为1度。T639模式基本特点T213L31TL639L60可分辨的最大水平波数213639垂直层次3160模式层顶10hpa0.1hpa格点空间定义二次高斯格点线性高斯格点格点空间640

3201280

640水平分辨率60公里30公里报类\时次00061218地面观测资料7315728575777008船舶和浮标资料873910614852010770探空观测资料6181759516测风观测资料35413632295飞机观测资料11943129231235811536卫星云导风1073010861970813106ATOVS观测资料14676577152347091327654814573241FY2C云导风1053611245113221316各种观测资料站点数（2007.4.13)

ATOVS资料占到全球资料同化中的90％以上黑体：业务最优插值同化分析所检索到的资料，全部：准业务三维变分资料同化系统所检索到的资料中国120中国120全球资料同化系统实现最优插值向三维变分同化系统的升级模式框架升级及参数化改进模式框架升级线性高斯格点的实现半拉格朗日积分方案的改进引入Rayleigh摩擦增加垂直分辨率，模式顶由10hPa提高到0.1hPa物理过程优化云和对流参数化下垫面资料的升级和合理初始化方法T639模式动力框架的改进：减少计算量与存储空间T213L31T639L60（二次规约高斯格点，原有两个时间层的半拉格朗日积分方案）格点空间水平三倍，垂直两倍，时间步长缩短三倍（从900秒到300秒）计算量增加：3323=54倍T213L31TL639L60（线性规约高斯格点，稳定外插两个时间层的半拉格朗日积分方案）格点空间水平两倍，垂直两倍，时间步长缩短3/2倍（从900秒到600秒）计算量增加：

2223/2=12倍减少计算量4.5倍，存储量减少2.25倍weightfunctionsoftheAMSU-A(middle)andAMSU-B(right)channels.

L31L60GSIT213L31top模式顶层升级到0.1百帕后，更好的同化AMSU-A12,13通道平流层增加14层边界层增加多层T639模式物理过程的改进T213的问题：预报时效短，中后期副高偏强，中国区近地面要素预报效果差，中雨以上降水预报偏大，空报多，南半球预报效果很不好，锋面等预报偏差大，卫星资料只占10%，物理过程方案有待改进。T639模式物理过程的改进T639的改进：T639模式物理过程主要是针对T213模式使用过程中发现的问题进行改进得来。T213模式降水预报偏差偏大空报多，主要原因是小于模式分辨率的次网格对流参数化过程不够活跃，对大气中不稳定的消除不够有效，有太多格点尺度对流发生。另外，随着模式分辨率提高，需要保持模式可分辨对流和次网格参数化对流之间的合理平衡。改进方案主要增加了次网格的对流活动，对流强度增加了，因此对流降水占总降水的比例也增加了，从而格点尺度降水占总降水的比例减少了，从而使得降水预报偏差偏大空报多的问题有所克服。T639模式物理过程的改进还包括云方案改进，与T639模式匹配的下垫面资料处理系统和合理的初始化方案等方面。2006年7月至2008年5月T639与T213模式500hPa高度预报统计检验

HigherhorizontalandverticalresolutionAnomalycorrelationof500hPaheightforEuropeT511L60T799L91DayMeanover148casesfrom1August2004南半球距平相关系数形势场检验

500hpa高度场均方根误差：除了印度地区外，全球其它27个分区的均方根误差都比T213模式有不同程度的减小。印度地区通过系统性偏差订正后效果显著改善，形势场检验

500hpa高度场距平相关系数方面，赤道地区、北半球低纬带和印度地区有些预报时效的表现不如T213，主要是模式系统性偏差太大，通过偏差订正效果显著改善，好于T213。其它分区的表现都比T213好：东亚地区有较小的改善；中国区域和北半球的可用天数提高0.8天；中国西北部提高1.3天；中国西南部地区提高4.4天；中国东部地区提高1天；南半球提高1.4天。850hpa温度场T639模式28个分区的均方根误差都比T213有不同程度的减小；其中，南半球地区、中国南部地区、中国东北部地区、中国西北部地区、改善幅度较大。850风场

T639模式改善效果一般：东亚地区比T213均方根误差稍大；北半球相差不大；中国西南部地区有比较明显的减小；总体来说，中高纬度地区均方根误差是减小的，低纬地区的改进效果不明显，均方根误差要比T213大。

对于高空东移西风槽，T639模式具有较好的预报性能。通常情况下，高空槽系统越强，T639模式的预报效果越好。如下图中2008年8月27日至31日一次东移西风槽，T639模式的72h时效预报也非常稳定，且与实况一致。

对于北方东移冷涡，T639模式24h、48h时效的涡中心及切变位置预报较为可靠，而72h时效在系统较弱时预报稍差，通常系统预报的移动偏慢。

对于东出高原槽，下图个例分析显示T639模式24h预报效果较理想，而48h和72h时效预报随系统的东移而逐渐偏慢（尤其是72h时效预报）。另外值得提出的是，T639模式对于高原低值系统或高原槽具有较好的辨析度，即很少出现漏报的情况。

对于东移西南低涡系统，如下图中2008年8月28日至31日的一次过程，T639模式在开始系统较弱时，各时效预报都把低涡中心报得偏南，而其后随着东移加强，24h和48h预报与实况接近，但72h预报偏差较大，将系统报得偏快或偏北。对2008年7月21日至24日的另一次东移西南低涡检验，T639模式也表现出类似的偏差。

对于陆地上减弱台风低压的预报，T639模式的24h和48h时效预报效果较好，72h时效稍差，如下图中8月1日20时的72h预报将“凤凰”减弱低压中心报得过于偏南。

对于江南和华南的低空急流，如下图中7月20日的例子，T639模式预报急流范围稍小于零场分析，但急流西边界的位置预报较为稳定。另外值得提出的是，T639模式对急流强度和范围的零场分析和预报通常比EC模式更接近实际探空观测，EC模式的分析和预报都偏弱一些。T639模式对降水预报的性能T639模式36h时效预报2008年9月9日08时～9月10日08时日累积降水（mm）。图中填充等值线为预报日累积降水量，圆点表示对应时段站点的观测降水量，其颜色表示降水量级。

在降水量级的预报上，T639模式在很多情况下优于日本模式。通常日本模式预报降水量级偏少，而T639模式更接近于实况。在实际业务中，T639模式降水预报的最主要偏差来自于天气系统的偏差，因此经过降水区（带）位置订正后的T639模式降水预报有较高的应用价值。

T639模式的预报特长

（1）T639模式的时间和空间分辨率要高于目前业务用的EC和日本模式。在时间分辨率方面，T639模式48h时效内达到3h的输出间隔，有利于预报员做更精细化的预报服务。在空间分辨率方面，现有下发的MICAPS格式数据的分辨率是1°×1°，在下发条件许可的情况下，可以提供原始分辨率0.28125°×0.28125°产品，对于天气系统的结构以及降水的分布有更好的表现。（2）在降水量级的预报上，T639模式在很多情况下优于日本模式。通常日本模式预报降水量级偏少，而T639模式更接近于实况。在实际业务中，T639模式降水预报的最主要偏差来自于天气系统的偏差，因此经过降水区（带）位置订正后的T639模式降水预报有较高的应用价值。（3）T639模式对中国大陆区域的观测资料使用较好，对于某些天气系统的表现更接近实况。如对于西伸到大陆上空的副高588线，T639模式的零场分析和24h预报比EC模式更接近预报员实况分析，EC模式往往会把副高分析和预报得偏弱。此外，T639还会表现出一些EC模式没有分析出来的低涡或切变系统。

T639模式产品

包括大气基本要素量、地面要素量，以及通过诊断程序生成的诊断量。包括高空17层9个要素，地面14个要素，7诊断量后处理输出要素产品。产品包括MICAPS产品、GRADS产品，GRIB格式数据产品、图形化产品。集合预报集合预报思想首先由Epstein(1969)和Leith(1974)提出，经历了70-80年代的研究探索和数值试验后，至90年代初，美国NCEP和ECMWF于1992年12月先后建立了各自的集合数值预报业务系统,这标志着集合数值预报已进入了实际业务应用的成熟阶段。现在，在美国、欧洲等发达国家的数值预报业务体系中，集合预报已占据了非常重要的位置（如ECMWF的集合预报产品已占据所有数值预报产品的60%以上），而且集合预报产品已在气象台站得到了广泛地应用。国家气象中心集合预报系统1998年6月建成，1999年2月开始业务试验。2001年三月业务运行。

初始资料误差，模式误差，以及大气系统本身的混沌特性使数值预报存在不确定性，也就是说，确定性的唯一解只是其中一种可能。预报问题就由原来的确定性预报转变成概率预报，成为对大气未来状态的概率密度分布进行估计的问题了。要找出所有可能的预报结果，由于大气运动的真实状态只能近似知道，因此天气预报只有通过误差的概率分布函数PDF的时间演变才能得到完整的描述。差之毫厘，谬之千里相空间中的概率密度函数-严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法左侧小圈代表初始条件的不确定性，线条代表不同成员的预报轨迹。右侧大椭圆代表预报值可能出现的范围。对于较短预报时效来说，预报可以认为是确定性的，积分若干天后，大气状态认为是随机性的。集合预报产品大致分三类：1、集合平均或集合中值预报，是集合预报最初级的应用。一般可能比单个预报准确，但对大气不稳定而可能出现的分叉且多平衡态无能为力。2、大气预报的可信度预报，通常用集合预报成员间的发散程度来度量。如面条图。3、概率预报，概率分布包含了该集合预报系统所能提供的所有信息，最大程度地包含了实际大气可能发生的各种情况。“面条”图a）5天预报（结束时间1995年11月15日）；b）3天预报（结束时间1995年10月21日）。等高线：5640米。主要数值天气预报业务体系

——

中期集合预报系统T213L31/15成员

集合数值天气预报系统建立了多套集合数值天气预报系统：◆

1996年5月建立了基于T63L16模式的全球中期集合预报系统（采用时间滞后平均法（LAF）生成扰动初值）；◆

1999年建立了32个成员的基于T106L19模式的全球中期集合预报系统（采用奇异向量法（SVs）生成扰动初值），并于2000年3月投入业务应用；◆

2006年12月15个成员的新一代全球中期T213L31集合数值天气预报系统（采用增长模繁殖法（BGM）生成扰动初值）实现了准业务化运行。◆已研发基于WRF的区域短期集合数值天气预报系统，提供奥运气象服务。集合预报产品流程图全球面条图全球区域一体化的集合预报产品加工和图形显示系统谱格变化、高斯格点转化GRIB格式侧重强对流指数产品全球模式输出量：谱系数、规约高斯格点场区域区域模式输出量：标准经纬格点场平均值+发散度图概率图烟羽图T213L31增长模繁殖法扰动初值CntlRunIC1+IC1-IC2+IC2-运行所有样本集合预报产品加工SSI+ATOVSObsEPS旧业务系统升级系统模式T106L19T213L31水平分辨率1.1250.5625垂直分辨率1931分析系统3DOI3DSSI+ATOVS扰动方法SV’sBGM扰动区域GlobalGlobal成员数3315产品较少较多检验方法较单一较为全面T213集合预报系统简介T213集合预报信息提炼及产品的开发开发了多种概率预报产品。类型：集合平均、离散度、面条图要素：风、温、湿、位势高度、降水多层次集合预报产品每天送往气象台和NMC网站现全球集合预报的产品参加国际TIGGE计划的资料交换。NMC－T213全球集合预报，intial:080805128月8日00:00Z—9日00:00Z24h累积降水>=1mm概率图北京1mm降水概率>90%intial:0808051284h(8月8日00：00Z）

00/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/11NMC发展计划继续提高现有模式的预报水平。在未来15年内发展自己的数值模式体系。为此组建数值预报创新基地。CMA未来发展计划从区域到气候多尺度预报服务扩展气象服务领域，从传统领域向环境、地球科学领域拓展。建立以数值预报为基础的气象业务体系。发展自主的数值预报系统。中国新一代数值预报模式发展计划建立一套基于统一模式技术上的格点模式Global/RegionalAssimilationandPrEdiction

System—GRAPES3或4维变分数据分析同化系统(3/4DVAR)我国未来数值预报的研究几个热点领域遥感资料同化可能吸引更多的研究，云参数、地面参数的同化研究将增加集合预报，特别是中尺度集合预报、集合技术在资料同化中的应用将成为研究热点；不同尺度多圈层耦合模式的发展；对模式的计算方法会有更深入的研究；战略性决定中国气象局于2000年做出了一个战略性决定：组建数值预报创新基地，集中人力、物力、财力，自主研究发展我国的数值天气预报系统创新技术，锻炼培养队伍；该项工作同时得到了科技部十五、十一五攻关和973项目的支持：包括中国气象局（业务与研究部门）、中科院大气所、多所大学的骨干力量支持。研究成果：开发建立了我国新一代全球/区域一体化多尺度通用数值预报系统GRAPES模式24小时预报(km)48小时预报(km)日本业务模式123.4152.8国家中心业务模式154.6203.8GRAPES_TCM（上海）120.9182.8上海业务模式154.6210.0广州业务模式141.5170.0多模式对海棠台风路径预报的距离误差比较此表由上海台风所提供24小时预报，GRAPES_TCM的误差最小，48小时预报，其误差位于第三位。700hPa水汽图（全球GRAPES新模式预报2005-Matsa台风的6天演变过程）集合预报GRAPES的应用大气科学研究沙尘暴预报实时业务预报观测试验模拟热带气旋预报闪电模拟教学培训气候模拟GRAPES“家族”GRAPES_Meso中尺度预报模式GRAPES_Global全球预报模式GRAPES_TCM台风预报模式GRAPES_TMM热带气象预报模式GRAPES_DAM沙尘气溶胶预报模式GRAPES_SWIFT临近预报模式GRAPES_MEPS中尺度集合预报模式GRAPES_LM雷电研究模式GRAPES未来3~5年发展计划表模式/同化200720082010东亚区域模式

15km/33层

10km/40层5km/70层全球模式

50km/31层

40km/61层20km/81层区域资料同化3DVAR50km/17层

4DVAR60km/40层4DVAR/EnKF30km/70层全球资料同化3DVAR110km/17层

3DVAR40km/61层4DVAR80km/81层注:发展步伐会根据实际情况进行适当的调整面向超级城市群的精细预报示范试验系统

Grey,blue:Qcqrandaccum.rainfallsYellow:115.5°Ev,wstreamGreen:32°Nu;wvectorOrange:1000hPau;vstreamVisualizing广州城市热岛效应模拟城市热岛高温区和水平风场城市热岛引起的垂直输送GRAPES-1km精细化模式模拟例子之一(广州热带所)北京2008奥运会体育场馆气流模拟GRAPES-1km精细化模式模拟例子之二(北京城市所)N北京金融街区风场模拟GRAPES-1km精细化模式模拟应用例子之三(北京城市所)我国未来数值预报的研究几个热点领域遥感资料同化可能吸引更多的研究，云参数、地面参数的同化的研究将增加集合预报，特别是中尺度集合预报、集合技术在资料同化中的应用将成为研究热点；不同尺度多圈层耦合模式的发展；对模式的计算方法会有更深入的研究；第三讲国外数值预报的发展

国外数值预报的发展，从上个世纪50年代，以计算机的出现，Charney等人的成功试验开始，1956年，瑞典首先开始数值预报业务试验。1958年，美国也开始数值预报业务预报。1959年，德国试验原始方程模式。1962年，出现了3层准无辐散模式。1966年，美国开始原始方程模式业务预报。1978年，欧洲中心（ECMWF）成立，引进GFDL格点模式，1983年建立起自己的谱模式系统。1954年，Silberman(美)提出了谱模式的概念。1966年，快速FFT实现。使谱模式成为可能。1970年，Machenhauer提出谱转换技术。解决了谱模式最后一个困难。1980年，原始方程谱模式开始模式业务运行。谱方法——浅水波模式ECMWF（1）

全球谱模式

T63L16（1983年）—>T106L19（1986年）—>T213L31（1991年）—>T319L31（1998年）—>T319L50（1999年）—>T511L60（2001年）可用预报时效7-7.5天

分析同化

OI分析、间歇同化（1987年）—>3DVAR同化（1996年）—>4DVAR同化（1998年）

NOAA/NESDIS的TOVSradiance（cloud-clearradiance)

资料用于分析同化业务ECMWF（2）

集合预报（EPS）业务

奇异向量方法生成初值，T159L31模式，50个样本EPS计划试验Multi-model的集合(用EC、英国和德国模式)试验Perturbedmodelphysics的集合增加集合成员—

60个，增加模式分辨率向量并行机（1996—）FUJITSU-VPP700（116个处理机,2.2Gflops/processure)VPP5000已安装（38个处理机,9.6Gflops/processure)

美国（1）

全球同化预报系统（MRF）

业务模式T126L28—T170L42(2000.1)（80KM）

—T254L42(2002.7)

可用预报时效6-7天分析同化方案

SSI（3DVAR）

TOVS（rawradiance)资料

GOES第8、9通道的可降水量资料近一两年主要工作

改进模式初值、物理过程进行模式程序的分布式并行

美国（2）

中尺度区域模式系统（ETA）

格点模式（32KM/45层，10KM/45层）同化分析方案

3DVAR同化

TOVS厚度资料、GOES第8、9通道的可降水量云导风资料、SSM/I地面风资料近一两年主要工作

改进模式初值、动力和物理过程（阶梯地形、时间插分、土壤过程、云物理等）以及ETA模式的并行化

美国（3）

集合预报

中期17个成员，增长模繁殖法，MRF模式短期25个成员，增长模繁殖法，ETA模式（80KM）对集合预报产品进行统计释用（MOS法，作极端温度预报）开发工作

NCEP、NCAR、FSL、CAPS联合发展“下一代风暴尺度的中尺度模式系统”（WRF，WeatherResearchandForecastingmodel)

正在发展4DVAR同化方案日本（1）

全球谱模式（GSM）T213L30（96年业务），3DVAR同化（99年业务）正在研究试验GPS（可降水）资料的同化远东区域谱模式ASM（20KM，36层）在ASM基础上形成了一个10KM分辨率的VeryShort-RangeForecastSystem，在06和18点作预报正在发展一个新的区域模式（非静力）日本（2）

台风模式（TYM）40KM，15层（可报双台风）非对称台风BOGUS

中期集合预报（EPS）试验17个成员，增长模繁殖法，T63L30模式

NWP产品释用卡门滤波法对NWP地面风向、风速预报进行释用（制作842个观测站预报）英国

统一模式（格点）

全球0.55°lat0.833°lon,=30

有限区

0.442°lat

0.442

°lon,=30

中尺度0.15°lat

0.15

°lon,=383DVAR同化（98年下半年业务）

使用TOVS温度和水汽资料正在发展非静力版本的格点模式（NewDynamics）

加拿大（1）

全球环境多尺度模式（GEM，格点模式）

T199L21——0.9°均匀经纬格点、28层

3DVAR同化区域模式（GEM用于有限区域）

变网格中心区0.33°（35KM），28层

3DVAR同化非静力版本正在试验中-尺度（GEM用于局部区域）

0.033°-0.0033°（3.6KM-360M)

加拿大（2）

集合预报（EPS）

MonteCarlo方法生成初值（16-32个样本）

T95L21模式

UMOS（UpdateableMOS)

用新旧资料混合来建模，制作极端温度预报研究开发

SSM/I可降水量、NOAA/NESDIS的TOVS（cloud-clearradi