中期数值天气预报

第四节　中期数值天气预报

一、中期数值预报的发展

数值天气预报是根据大气动力学和热力学定律，建立基本方程组，应用数学物理方程的数值积分方法，对未来的天气形势和气象要素作出预报的方法。在这种意义上，中长期天气数值预报和短期天气数值预报并没有什么区别。

在气象学发展的历史上，第一个企图做数值天气预报的是英国的科学家理查孙，他当时仅仅借籍一台手摇小计算机，试图用大气运动基本方程组来研究预报天气的能力。当时已经知道，方程非常复杂，不能简单求解，只能求助于用数值近似法求解，实质上是从一组连续性方程近似地处理为求一组相应的离散性方程的数值解。因当时还不知道各种因子在大气运动中的相对重要性，所以在他的数值预报模式中包含了大量的物理过程，这样影响了他的计算工作，所得的预报与实际天气非常不符，预报失败。但是，他所遇到的许多问题，仍然是今天天气预报工作者所面临的问题。到了本世纪40年代，世界上第一台电子计算机ENIAC（电子数值积分计算机）问世不久，在普林斯顿大学数学家John von Nermann领导下建造了一台IAS计算机。他的新计算工具解决的第一个问题是预报天气形势，为此他组织了以Jule Charney为首的一批科学家。而Charney等在其第一次数值天气预报中所用的计算程序或模式没有包含理查孙所用的方程组，而是用滤去声波和重力波的简化方程组。几年后，Norman Phillips（1956）在这种简化方程组中加进了几个简单的强迫作用项，进行长期积分，积分结果与初始状况不同，并给出了大气环流许多特征。这一试验在某种意义上说是以后大气环流模式长期发展的开始，自此以后数值天气预报取得了迅猛的发展。现已从最简单的正压地转模式，发展成为结构细致、能够模拟大气中复杂物理过程的原始方程模式，从而使预报准确率得到了显著的提高。本世纪70年代中期以来，由于波谱分析技术在数值天气预报方程组中的应用已逐步发展到一个相当成熟的程度，所以目前世界上一些国家的气象中心，如欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF）、美国、法国、日本、澳大利亚、加拿大和前苏联等国家气象中心，都用数值天气预报的谱模式制作全球或半球的中期数值天气预报，并取得了较大的成功，其中以ECMWF的中期数值天气预报水平最高。

我国的中期数值天气预报起步较晚，但发展很快。1976年中国科学院大气物理研究所中期预报组对σ坐标系的原始方程组数值预报模式提出了一个比较简洁、稳定而灵活的计算格式，便于引进地形和加热等物理作用。后来分别作了引进辐射加热大尺度凝结潜热、下垫面感热和蒸发通量以及地形等方面的一系列的试验研究，为我国开展中期数值天气预报奠定了基础。随着我国国民经济和国防建设的迅速发展，迫切需要建立我国的中期数值天气预报业务系统，以实现短期、中期天气预报客观化、定量化、自动化和提高天气预报的准确率，为此国家计委于1984年5月正式批准了国家气象中心以建立中期为主的数值预报业务系统的扩建工程项目。国家科委也把中期数值天气预报前期攻关科研定为“七五”期间的重点科研攻关项目。为了完成建设中期数值天气预报业务系统的任务，经多方面专家的反复研究和科学论证，国家气象中心决定引进ECMWF的波谱模式预报系统，并在消化、吸收的基础上，结合我国的实施能力和地理特点加以改进而建立起我国的中期数值天气预报业务系统。这是因为欧洲中期天气预报中心发布的中期数值预报产品，至今为止仍被公认为世界之冠，它的中期数值预报业务系统代表了世界上最先进的气象科学和技术水平。1990年1月，国家气象中心在ECMWF的谱模式的基础上加以改进的中期数值天气预报T42L9（水平方向三角形波数截断取42个波，垂直方向取9层）的谱模式和整个中期数值天气预报业务系统一起投入了准业务运行。经过一年的预报试验，证明系统性能稳定可靠，于1991年1月正式转为业务运行。

二、欧洲中期天气预报中心业务系统

由于中期数值天气预报技术的迅速发展，大大地提高了数值天气预报的预报准确率和预报时效，从而改变了以预报员的经验为主的定性预报的状态。目前，数值天气预报产品，已成为大多数主要天气预报中心进行制作客观、定量的中、短期天气预报的主要依据。为了比较模式的预报技术，对ECMWF、日本气象厅、美国国家气象中心及美国海军舰队数值海洋中心的1991年3月1日至5月31日的北半球500hPa48小时高度预报的距平，与同期客观分析距平进行统计相关的5天滑动平均。经过比较可以看出，天气预报距平相关得分ECMWF最高，日本气象厅次之，美国国家气象中心最差。所以ECMWF的预报水平就代表了目前世界上中期数值天气预报的最高水平，而且上面也提到我国T42L9谱模式也是在ECMWF业务模式的基础上修改的，所以有必要介绍一下ECMWF业务系统主要情况。由于在第一节已经介绍了中期数值模式的基本方程及物理过程参数化的一些方法，下面仅对ECMWF在模式中采用的一些先进的技术或方法作一介绍。

1．资料四维同化

ECMWF建立资料同化系统的主要目的是为本中心的业务预报模式提供初始场。该系统使用了所有适当类型的观测资料，给出数值形式的全球分析场。下面仅介绍它的一般思路。

由于未来的大气观测系统是由各种不同的观测子系统，其中包括卫星、等高气球、海上漂浮站以及常规的高空与地面观测网等组成的综合系统，而这些不同的子系统之间存在许多在测量对象和资料如何经常传递方面性质上和能力上的差别。这样，为了分析用不同仪器装备和在不同时刻所取得的所有气象观测资料，就提出了资料的四维同化问题。它的基本思想是假定观测资料有充分的准确性，在全球模式数值积分期间可以使用任何观测资料来代替预报值，只有当没有观测资料可用时才利用预报值。而资料同化系统又可分为间断方式和连续方式。对于前者，预报模式做周期性的中断，并结合进实时资料。对于后者，则是每一步都对预报进行订正。多数数值预报中心及研究机构都使用间断式同化，ECMWF也使用这种间断式同化方法，采用每六小时一次的资料更新频率，即在00、06、12、18时（世界时）对可用实时资料进行处理。

为了进一步提高分析资料的质量，目前ECMWF使用的是一个新的四维变化分析方法，这个方法能够比较有效地处理各种不同观测系统观测到的资料。例如卫星观测资料和探空资料在这个系统中可以得到比较合理的分析，从而为数值预报模式提供更为可靠的初值。特别是在南半球或海洋上常规资料缺少的地区，这一方案对提高资料分析质量起了重要的作用。从使用效果来看，新的系统对预报有明显的改进，在南半球更明显一些。这种四维的变分分析技术的一个很重要的优点是能够对卫星观测的原始值进行分析，且能够利用最原始的辐射资料，由自己直接产生温度和水汽的反演值，效果好于目前各地卫星中心提供的反演值。

2．物理过程的参数化

目前ECMWF业务运行的是T213L31（水平方向三角形波数截断取213个波，垂直方向取31层）全球谱模式，且采用σ面三维最优插值、增量分析等技术。这样大大提高了模式的分辨率，不但可以更精确地处理一些中小尺度系统，特别是一些快速移动的系统，而且对地形强迫扰动及大气物理过程还可以进行更细致、精确的描写。下面仅介绍ECMWF新利用的一些物理过程参数方案。

（1）辐射参数化

因为辐射加热对中期天气预报的成败起着很重要的作用，其中辐射和云的相互作用对大气环流的演变有着很大的影响。但多年来人们对云和辐射之间的相互关系还没有完全了解，还不能够在数值模式中正确地描述云对辐射加热的影响，这主要因为数值模式预报云状、云量和云高的能力较差，正确处理云的扩散过程也很难。为此，ECMWF制定了一个考虑云和辐射相互作用的辐射方案。该方案是在高分辨率模式中能更加细致地描述各种云的结构的基础上实现的，且随着卫星资料增多及质量提高，能够将数值模式预报的云产品和卫星资料进行对比分。这一方案需要花大量的计算时间，但在高速巨型计算机条件保证下是可以投入业务运行的。

（2）地形重力拖曳力效应的参数化

当稳定的层结气流越过不规则地形时，会激发地形重力波，在一定条件下，它会向上传播，这种传播与大气静力稳定度、垂直风切变有关。为了在数值天气预报模式中解决由于地形引起的系统误差，从1987年开始ECMWF、英国和加拿大等国在预报模式中引进了重力波拖曳效应的参数化方案。从实际预报结果看，地形重力拖曳力参数化方案对改进中期数值预报有明显的效果。一般来看，对48小时以上的预报有一定程度的改进，且随着预报时效的延长，其改进更显著。由于ECMWF多年来在处理地形时一直采用包格地形，引进重力拖曳力效应后，对是否有必要还采用包格地形问题进行了试验，结果是同时引进两种方法最好。故目前ECMWF韵业务模式中，既有包络地形，又有重力拖曳力效应的参数化。

（3）地面植被层的参数化

考虑土壤表层的水分蒸发是中期数值天气预报模式中必须考虑的一个重要的问题。对这个问题，气象界进行了大量的研究，因为大量的蒸发来自植被，所以植被层的作用又受到特别的重视。ECMWF自从1987年以后就在数值模式中引进了植被的参数化方案。在这个方案中考虑了植物体与大气和土壤之间的相互作用，所以能区别植物覆盖区和裸地之间质量和能量通量的差别。从使用结果来看，把地面植被层参数化引入模式，对预报结果有明显的影响，特别是近地面层的温度日变化的预报有了改进，对最低气温的预报准确率有明显的提高。另外，它的引进还可以改进对流降水的预报，特别是一些次天气尺度的降水预报准确率也有一定程度的提高。