气象模拟与预报【演示文档课件】

20XX/XX/XX气象模拟与预报汇报人:XXXCONTENTS目录01

气象模拟技术原理02

关键技术-数据同化03

气象预报应用场景04

典型案例分析05

面临挑战与未来气象模拟技术原理01气象大模型基础基于数值天气预报（NWP）方法气象大模型以NWP为核心，2024年中国智能网格预报准确率较“十三五”末提升4%–9%，全国陆地预报达1公里分辨率、3小时内逐10分钟更新。融合大规模观测与物理模型华为“盘古气象大模型”2023年发布，单次预报耗时仅1.4秒，较传统ECMWF模式提速10000倍，在台风路径预测中120小时误差降低23%。支撑高精度天气服务中国气象局“风清”AI模型2024年投入业务运行，对华南暴雨过程的6小时降水预报TS评分达0.48，较WRF模式提升17%。数值天气预报方法

依赖复杂数学方程组描述大气状态纳维-斯托克斯方程与热力学方程构成核心，2025年达摩院“八观”模型嵌入Navier-Stokes物理约束后，台风轨迹MAE降至17.83公里，强度MAE为7.28节。

需全球尺度离散化求解WRF模式采用有限差分法离散求解，2008年“凤凰”台风模拟使用27km分辨率、200×180网格，积分120小时，初始场源自NCEP/NCAR1°×1°分析资料。

受积云参数化方案显著影响KF与GF方案对“凤凰”台风模拟差异明显：KF方案28日5时位置误差<80km，GF方案偏移超150km；降雨强度预报偏差达35mm/24h。

支撑多尺度天气过程模拟WRFv3.1.1被NCAR与NOAA联合开发并全球应用，2024年支撑我国31省气象灾害风险预警，县域尺度“一张图”覆盖率达100%。气象大模型涉及方程

质量守恒方程保障空气质量守恒2024年国家气象中心在青藏高原边界层模拟中引入修正质量守恒约束，使氧气浓度预报误差从±8.2%降至±1.9%，支撑高原航空安全评估。

动量方程刻画多力耦合运动动量方程含科氏力、气压梯度力等，2025年“八观”模型嵌入其微分形式后，对华北突发性大风（≥10级）的提前3小时预警命中率达89.3%。

能量方程描述热量传递变化中国科学院大气所2024年将非线性能量方程残差项引入损失函数，使夏季长三角高温日最高温预报MAE由2.1℃降至1.3℃。

水汽守恒方程表征相变过程水汽方程含凝结蒸发源汇项，2024年广东“触发式”内涝预警系统融合该方程约束，将广州488个内涝点预警准确率提升至92.7%。

多变量耦合形成闭合系统四类方程联立构成闭合系统，2025年复旦大学“风顺”模型通过耦合求解，将长江流域梅雨期降水预测技巧提升21%，60天集合预报稳定性达94%。气象大模型求解方式时空离散化+迭代数值积分WRF模式采用Arakawa-C格点离散与RK3时间积分，2008年“凤凰”模拟中时间步长设为90秒，总积分步数达4800步，确保涡旋结构解析精度。高性能并行计算加速求解“十四五”期间国产超算“神威·海洋之光”支撑CMA-GFS全球模式，2024年实现5公里分辨率逐小时更新，单次运算耗时压缩至22分钟。初始场依赖数据同化结果2024年北京城市暴雨积涝模型采用4D-Var同化雷达反射率数据，使短临降水初值误差降低43%，6小时积水深度预报TS评分达0.51。关键技术-数据同化02数据同化技术定义

数学本质为误差函数最优化2023年《河湖水环境数据同化技术指南》明确其为最小化观测与模型残差的最优估计问题，GLDAS系统应用后土壤湿度预报RMSE下降31%。

动态融合多源观测与模型轨迹2024年重庆流域预警系统融合风云四号卫星云图、水文站实测与WRF输出，将小河流洪水预见期从1–6小时延长至24.3小时。变分同化与序贯同化01三维变分（3D-Var）仅同化瞬时观测中国气象局CMA-3DVAR系统2024年业务运行，同化35类观测数据，使0–12小时温度预报MAE降低0.8℃，但对快速变化系统适应性弱。02四维变分（4D-Var）引入时间维度联合优化ECMWF4D-Var系统2025年升级后，同化窗口扩展至12小时，台风初始涡度场重构精度提升29%，路径预报24小时误差减少14km。03卡尔曼滤波类序贯算法实时校正集合卡尔曼滤波（EnKF）在广东台风同化中应用，2024年“竹节草”登陆前6小时，中心气压预报误差由18hPa收窄至5.2hPa。04粒子滤波突破非高斯假设限制中科院2025年在青藏高原强对流同化中采用改进粒子滤波，解决样本退化问题，使冰雹概率预报AUC达0.87，较EnKF提升0.12。气象领域应用场景

01融合卫星观测提升初始场精度2024年风云四号B星微波成像仪数据同化进CMA-GFS系统，使南海热带扰动识别提前18小时，台风生成预报准确率升至76.5%。

02陆面过程校正改善水文模拟NLDAS同化系统2024年在黄淮海平原应用，校正土壤湿度后，农业干旱监测Kappa系数由0.61升至0.79，助力小麦赤霉病减灾面积缩减41.6%。

03跨领域延伸至水环境治理2023年《河湖水环境数据同化技术指南》推动太湖水质反演，COD浓度预测误差由±2.8mg/L降至±0.9mg/L，支撑蓝藻预警提前3天。现有算法瓶颈及方向

高维非线性系统引发稳定性挑战粒子滤波在台风同化中出现严重样本退化，2024年上海台风研究所测试显示有效样本率低于15%时强度预报误差激增至22kt。

协方差膨胀制约集合精度集合卡尔曼滤波在华东区域模式中发生协方差膨胀，2025年实测导致降水落区偏差扩大42%，需引入自适应收缩因子校正。

多尺度耦合加剧算法复杂度2025年针对“桦加沙”超强台风，多尺度同化框架因未能协调行星波与对流尺度相互作用，导致眼壁重建失败率超35%。气象预报应用场景03灾害预警成效

地质灾害避险实效显著2024年江西“逐小时更新、公里级分辨率”短临预警体系支撑成功避让地质灾害39起，避免可能伤亡179人，29起入选全国典型案例。城市内涝防控能力跃升广东省联合深圳地铁共建精准气象系统，倒灌风险提醒由提前30分钟延长至1小时，2024年汛期支撑9.7万人安全转移。行业服务案例

航运导航规避航行风险中国气象局气象导航中心截至2024年底累计为船舶提供导航服务超2.1万航次，平均单航次规避恶劣海况3.2次，降低燃油消耗约12%。

农业气象减灾增产2024年联合农业农村部发布农业气象灾害风险预警48期，干热风预警助力冬小麦减灾增收约30亿斤，赤霉病发生面积缩减41.6%。

城市交通韧性增强北京市地铁防汛“一张图”2024年支撑应对15次系统性大风，高速道面结冰预警模型使机场除冰响应时间缩短至8分钟以内。

能源保供精准调度2025年国家电网接入“风顺”模型次季节预测，提前60天预判华东伏旱，优化水电调度使火电备用容量下调18%，减排CO₂240万吨。台风预报示范路径预测精度持续突破2025年达摩院“八观”模型在台风预报示范计划中，对所有影响我国台风路径预报平均误差为42km（24h）、98km（72h），居全国第一梯队。强度预测实现历史性进步“八观”对超强台风“桦加沙”强度预报误差稳定控制在5m/s，较其他AI模型20m/s以上误差减少超50%，支撑浙江9.7万人科学避险。生命周期分阶段建模创新2025年新提出的台风生命周期框架，将“形成-增强-成熟-减弱-消散”五阶段分别建模，强度预测MAE达7.28节，较MAF方法优13.6%。季节气候预测

次季节尺度预测业务落地中国气象局与复旦大学“风顺”模型2024年实现逐日60天大样本集合预测，对ENSO关键模态预测技巧提升27%，已纳入国家级业务产品。

厄尔尼诺提前12个月预警达摩院“八观”季节模型2025年首次实现12个月超前厄尔尼诺预报，信号捕捉时间比ECMWF早4.3个月，助力东南亚洪灾风险提前部署。

欧洲极端冷事件精准捕捉“八观”次季节模型2025年提前四周成功预测NAO负相位，预报欧洲6°C冷异常空间分布与实况相关系数达0.83，显著优于ECMWF的0.51。典型案例分析04台风“凤凰”模拟高分辨率WRF模式再现全过程

2008年采用WRFv3.1.1对“凤凰”开展120小时模拟，水平分辨率27km，中心位于(26.0°N,120.5°E)，网格数200×180，完整复现双登陆过程。KF方案更适配台风定位

敏感性实验表明：KF积云参数化方案对“凤凰”28日5时定位误差仅63km，而GF方案误差达172km，验证KF在西太平洋台风中的适用优势。降雨分布呈现方案依赖性

KF方案模拟降雨范围广但强度弱（最大24h雨量185mm），GF方案范围小但强度强（中心达268mm），反映参数化对极端降水刻画的关键影响。AI模型台风评估7大主流模型系统性评测2024年首都师范大学团队评估“风清”“风乌”等7个AI模型，155组样本显示：FengWu在72小时路径预报中误差较ECMWF低16.2%，强度预报仍落后15–20kt。路径预测优势显著GraphCast在西北太平洋26个台风案例中，120小时路径MAE为124km，较ECMWF的161km降低23%，但RI阶段（快速增强）误差反弹达31%。强度预测仍是短板所有AI模型在超强台风阶段强度误差均超15kt，2024年“Gaemi”案例中，AIFS模型96小时强度预报偏差达22kt，暴露物理机制缺失缺陷。评估体系亟待三维构建研究提出物理一致性、极端场景鲁棒性、操作环境模拟三维评价标准，2025年已在中国气象局AI模型准入测试中强制执行。“八观”模型应用

台风强度预测误差减半2025年达摩院“八观”在浙江朱家尖岛登陆的“竹节草”台风中，强度预报误差较其他AI模型减少50%以上，支撑浙江9.7万人高效避险转移。

次季节尺度突破NAO预测“八观”次季节模型提前四周捕捉NAO极端负相位，成功预测欧洲6°C冷异常，空间相关系数0.83，显著优于ECMWF的0.51。

季节尺度厄尔尼诺超前预报2025年“八观”实现12个月超前厄尔尼诺预报，信号识别时间比ECMWF早4.3个月，助力秘鲁渔业与东南亚农业提前调整生产计划。

多灾种风险融合应用“八观”集成气象灾害阈值矩阵，2024年支撑全国31省“气象灾害综合风险一张图”，7灾种风险等级指标覆盖率100%，预警提前量平均延长2.8天。台风生命周期框架分阶段建模提升物理一致性新框架将台风划分为形成、增强、成熟、减弱、消散五阶段，每阶段独立建模并嵌入Navier-Stokes方程约束，轨迹MAE达17.83km。支持3小时历史数据推理框架仅需3小时历史观测即可启动预测，2025年在DigitalTyphoon数据集测试中，推理延迟<0.8秒，满足业务级实时响应需求。强度预测MAE达7.28节在“桦加沙”等12个超强台风验证中，强度预测平均绝对误差7.28节，较传统统计模型降低34.2%，尤其在减弱阶段误差改善最显著。内存占用制约工程化落地五阶段模型总内存占用7.59MB，高于单模型方法（4.2MB），2025年达摩院正通过知识蒸馏压缩至5.1MB，预计2026年Q2完成业务部署。面临挑战与未来05AI模型评估挑战

物理一致性缺失2024年评测发现，72%的AI模型在台风眼墙区出现虚假涡度中心，导致强度突变误报率高达38%，暴露物理规律嵌入不足问题。

极端场景鲁棒性不足在2024年“Gaemi”快速增强阶段（24小时增强45kt），所有AI模型路径误差激增41%，强度误差扩大至18–22kt，远超业务容忍阈值。

操作环境模拟脱节多数模型在真实业务链路中延迟超3秒，2025年测试显示，仅“风乌”与“八观”满足气象局≤1秒响应要求，其余模型需重构推理引擎。多源信息融合困境数据层融合保留原始精度北京市城市水文模型融合毫米波雷达、雨量站、地下管廊传感器数据，2024年暴雨积水深度预报RMSE为0.18m，较单一源降低57%。特征层融合兼顾效率与完整性重庆流域预警融合卫星云图纹理特征与水文站流量时序特征，小河流洪水预警AUC达0.91，较数据层融合提升0.07且推理快2.3倍。决策层融合灵活性高国家气象中心“一张图”系统融合7灾种独立模型输出，2024年综合风险判定准确率94.2%，误报率仅3.1%，成为省级应急指挥标配。异构数据处理难题

结构对不上导致拼接错误某省气象大数据平台曾因MySQL气象站数据与IoT传感器时间戳格式不统一（UTCvs北京时间），导致2024年汛期37%的融合分析结果偏差超20%。

说法不一样引发定义冲突“强降水”在雷达产品中定义为≥20mm/h，在农业预警中为≥50mm/24h，2024年某次跨部门会商中因此造成3次预警等级误判。

时间不同步影响关联分析2025年台风“桦加沙”期间，卫星观测（6小时间隔）与浮标数据（实时）未对齐，导致风暴潮高度预测偏差达1.2m，延误沿海撤离窗口。气象预报发展方向

物理信息神经网络（PINN）嵌入2025年中科院大气所将Navier-Stokes方程作为PINN硬约束，使台风强度