数值预报发展历程
气象专业发展历程简述
气象专业发展历程简述气象专业是一个与天气、气候和大气环境相关的学科领域，其发展历程可以追溯到古代。
以下是气象专业的发展历程简述。
古代气象观测：早在古代，人们就开始观测天气现象，例如观察云的形状、风向、阳光的强度等。
古代文明如埃及、中国、希腊等国家都有记录气象现象的文字记载，并利用这些观测数据进行农业、航海等活动的决策。
气象学的形成：在17世纪，随着科学方法和仪器的发展，气象学开始成为一门独立的学科。
气象学家利用温度计、气压计等仪器进行天气观测并记录数据，开展了一系列关于大气现象的研究。
气象观测网络的建立：19世纪末到20世纪初，随着电信技术的发展，气象观测网络开始建立起来。
各国建立了气象台和气象站，并通过电报、电话等渠道互相交换气象数据。
这使得全球范围内的气象数据可以实时收集和共享，从而提高了天气预报的准确性。
数值天气预报的出现：20世纪中叶，由于计算机技术的进步，数值天气预报开始出现。
气象学家可以利用数学模型对大气运动方程进行数值模拟，从而得到未来几天甚至更长时间的天气预报。
这极大地提高了天气预报的准确性和可靠性。
气象卫星的应用：20世纪60年代，随着卫星技术的发展，气象学家开始利用气象卫星观测大气环境。
卫星可以提供全球范围内的高空气象观测数据，准确把握大气环流的情况，对天气预报的准确性有着重要的影响。
气候变化研究的兴起：20世纪末，随着全球气候变暖的迹象逐渐显现，气候变化成为了重要的研究领域。
气象学家开始运用气候模型和数据分析方法研究气候变化的原因、趋势以及对人类社会的影响。
应用气象学的发展：随着社会的发展和科技的进步，应用气象学逐渐兴起。
气象学的研究成果被广泛应用于农业、交通、能源等各个领域。
例如，气象预报在农业上的应用可以帮助农民合理安排农作物的种植和收获时间；在飞行航行方面的应用可以提高飞机和船只的安全性。
近年来，气象研究在人工智能、大数据等领域的应用也日益受到关注。
通过运用这些先进技术，可以进一步提高天气预报的准确性和精度。
基于气象数据分析的天气预报研究
基于气象数据分析的天气预报研究随着时代的进步和科技的发展，气象学也开始步入一个崭新的时代。
在过去，气象数据分析的方式大多依赖人工，这使得预测的准确度有限。
而基于气象数据分析的天气预报研究成为一种新趋势。
这种方法以数据为基础，通过数据分析及机器学习技术的应用，使预测更加准确。
一、天气预报研究的发展历程天气预报研究的发展历程可以追溯到上个世纪。
上个世纪六十年代，美国开始启动第一代数字天气预报项目。
这个项目建立了全球预报模式，通过气象卫星及气象数据收集站，实现了对全球天气状况的观测和记录，大大提高了预测的准确度。
同时，计算机的应用也使得天气预报的计算速度得到了提高。
二、基于气象数据分析的天气预报研究原理气象数据分析是基于数学模型的预测方法，可以通过分析历史数据，建立规律模型，来预测未来的天气。
对于气象数据处理，天气预报研究中常用的数据包括气温、湿度、气压、风力、降雨等。
这些数据是由各项气象观测设备（例如：气象站、气象卫星）获取。
通过气象数据，预报模型可以在气象学知识的指导下，进行系统学习和多维数据分析。
三、气象数据分析技术在天气预报研究中的应用气象数据分析技术在天气预报研究中得到广泛的应用。
具有代表性的应用如下：1. 数值天气预报数值天气预报是通过一针运算器来模拟大气运动并预测天气状况的方法。
这种方法通常由大型计算机模拟运算，通过高度复杂的算法预测未来天气状况。
2. 机器学习技术机器学习技术是通过教机器学习算法，不断累积数据和调整模型，进行实时的天气预测。
机器学习技术有动态规划算法、贝叶斯算法、真实性网络、回归分析、k-临近法、分类决策树等。
3. 云计算技术云计算通过网络将计算资源打包分发到每个节点上，实现分布式计算，从而实现海量数据的快速分析。
这种技术不仅提高了数据处理的效率，同时也实现了云端服务，降低了天气预报设备的成本和维护难度。
四、未来天气预报研究的展望随着科技的进步和方法的不断更新，气象学也将展现越来越多的发展机遇。
数值预报复习
数值预报复习数值预报是一种基于数学和物理模型来预测天气、气候的方法。
其基本原理是将大气分成若干小区域，对每个小区域的气象环境进行数学描述，然后通过计算机模拟来预测未来的天气情况。
数值预报的历史可以追溯到20世纪50年代，当时主要使用的是简单的数学模型和手工计算方法。
随着计算机技术的不断发展，数值预报的模型及算法在20世纪70年代得到了重大的突破和提升，开始出现了全球和区域数值天气预报模型。
随着计算机性能的继续提高，现代的数值预报模型可以处理更复杂、更细致的气象现象，并且可以不断优化和改进。
数值预报模型的核心是数学方程式，包括热力学、动力学、辐射和水平动量方程等。
对于大气系统的模拟和预测，需要将这些方程式与大气的初始状态和边界条件相结合。
在数值预报模型中，初始状态非常重要。
气象观测数据直接影响模型的准确性和可靠性。
对于一次数值预报，需要尽可能多的收集气象观测数据，以获得尽可能准确的初始状态。
在收集的气象观测数据中，包括气温、气压、湿度、风速和降水量等数据。
此外，卫星云图和雷达扫描等现代技术也为数值预报提供了新的数据来源。
当数值预报模型得到初始状态和边界条件后，需要通过计算机进行计算和模拟。
计算结果可以得到一系列数值输出，其中包括环流、气温、湿度等方面的变量。
通过这些计算结果，可以预测未来一段时间内的气象情况。
为了提高数值预报的准确性和可靠性，还需要进行计算结果的验证和比对，以提高模型的质量和准确性。
总的来说，数值预报是一种基于数学和物理模型的天气预报方法，其核心是数学方程模型和计算机模拟技术。
随着计算机技术和气象观测数据的发展，数值预报的准确性和可靠性不断提高，将在未来的天气预报中发挥更加重要的作用。
气象数值模拟技术的发展与应用
气象数值模拟技术的发展与应用随着科学技术的不断发展，气象领域的数值模拟技术也在不断更新与完善。
数值模拟技术已经成为了气象学中的重要工具，可以方便的进行天气预报、气候模拟与环境监测等诸多应用。
本文将围绕气象数值模拟技术的发展与应用，从三个方面进行探讨。
一、气象数值模拟技术的历史与发展早在1922年，挪威气象学家Bjerknees就提出了数值天气预报方法的概念。
1940年代初期，美国气象学家Bjerknes和Charney 等人利用数值方法成功地进行了数日的天气预报。
这些开创性工作的成功实现，标志着气象数值模拟技术的诞生和初步应用。
进入20世纪末和21世纪初，计算机技术的快速发展，为气象数值模拟技术的发展提供了契机和基础。
目前，世界各国都在不断加强气象数值模拟技术的研究，推动模拟结果的精度与预报水平不断提高。
二、气象数值模拟技术的应用气象数值模拟技术是为各行各业提供更为准确的天气预报和气象信息的可靠手段。
具体涉及以下领域：1. 天气预报天气预报是数值模拟技术的一个重要应用领域。
通过数值模拟技术，可以有效地预测未来数天以至数十天的天气情况，为人们的农业生产、交通出行、工程建设等提供可靠的依据。
2. 气候模拟气候模拟是利用数学模型对某一特定时期和区域的气候变化进行模拟预测，可以为气候变化研究提供科学依据。
气候模拟可以由大气环流模式进行，用于模拟潜在的气候变化趋势，为政府和社会提供气候变化预警。
3. 环境监测气象信息对环境的变化有着至关重要的影响，通过气象数值模拟技术可以监测到气象环境污染，相应的的气象监测数据可以为政府决策部门提供相关预警信息，用于决策。
三、气象数值模拟技术的展望未来气象数值模拟技术的研究将会朝着的以下四个方面推进：1. 更高的数值精度气象数值模拟技术的高精度对于预测结果的准确性和可靠性起着至关重要的作用。
相信随着科学技术的不断进步，气象数值模拟技术的精度也将会不断提高。
2. 更高的计算效率当前气象数值模拟涉及的数据量十分庞大，需要借助计算机等高性能设备计算与处理，，未来的气象数值模拟技术将会进一步提高计算效率，使得对气象数据的处理更快、更准确。
第3章 中期数值天气预报
1、基本思想： 客观化：不会因操作人员的因素而改变预报 结果。
定量化：结论是定量的，不会因不同的用户 而产生不同的理解。
自动化：系统可以自动地采集所需中期数值 预报产品，并作必要的加工处理最后自动输 出预报结果。
2、关键技术
（1）中期数值预报产品的采集和处理技术：
根据地理位置，选择一份或多份报文； 报文拼接； 译码、检误、补缺、纠错等。
3
P3
N
1 2
_________ N
N PN
N
1 2
__________
N
1
0,
1, ln
p0 , 0
4.短、中模式大气的含义比较
必须根据不同时空尺度大气运动的特点和预报时效 的长短等设计各种能近似地考虑摩擦、非绝热加热 和水气源汇影响的大气模式。
超过3-4天的预报就必须考虑海面对大气的影响， 这时所需要的初始资料至少要北半球范围，甚至还 要扩展到另一个半球。
第三章 中期数值天气预报
一、数值天气预报概念： 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 分方案，对未来的天气形势和气象要素作 出预报的方法。
二、中期数值天气预报历史
1、国外：
（1）世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家 Richardson ，但由于只有一台手摇式小计算机，另外他的模 式中包含了大量的物理过程，因而影响了他的工作，所得结果 与实际不符。
第一节 中期数值天气预报的物理基础
一、基本方程组 1.基本方程组的一般形式
dV
dt
1 p 2 V g F
d • V 0
dt
p RT (1 0.608q)
数值预报发展历程
纳维-斯托克斯方程、考虑地球自转的影响的质量连续性方程和热力学第一定律、理想气体方程一起构成了一组完整的大气预报方程，大气中的风场、气压场、密度场合温度场的时空变化都可以用这组方程加以描述。
这些方程需要在时间和空间离散化之后以数值方法求解，因为这组方程的解析解在数学上极难获得，而这一近似（译注：指原始偏微分方程近似为离散化的差分方程）造成了通常所谓可解析与不可解析的运动尺度之间的差异。
在不可解析的尺度直到分子尺度发生的物理过程会通过摩擦、凝结和蒸发一类的湿过程和辐射加热与冷却作为质量、动量和热量的源项进入可解析尺度的方程中。
由于这些过程通常都无法解析，它们需要按照与可解析尺度的相互作用被“参数化”。
在19世纪与20世纪之交，Abbe和Bjerknes都提出，物理学的定律可以被用于预报天气；他们认识到对大气状况的预报可以被视作数学物理的初值问题，未来的天气可以使用偏微分控制方程从观测到的当前的天气向前积分得到。
这一主张即使以最乐观的牛顿主义决定论（译注2）的观点来解读也是极为大胆的，因为当时鲜少有对大气状况的日常观测，没有计算机，人们对天气过程是否有任何显着程度的可预报性也知之甚少。
但在一百多年之后的今天，这一范式已经变成每天求解从初始时刻到数周甚至数月之后、每个时间步长有着五亿个空间格点、综合考虑空间尺度延伸几百米到几千公里、时间尺度遍及几秒到几周的动力学、热力学、辐射和化学过程的一组非线性微分方程的问题。
与以往所有的概率预报不同，人类在第一次世界大战中，史诗般地第一次通过求解描述大气运动的物理方程做出了天气预报。
创造这一奇迹的是一名35岁的英国气象学家刘易斯·理查森（Lewis Fry Richardson）。
他在20世纪20年代，完成了这一科学史上的壮举。
在那个年代，天气预报的问题是多么的复杂，手工求解那些方程是多么的枯燥，而可用的观测数据又是多么的稀少以至于总结出大气运动方程组的鼻祖——威廉·皮耶克尼斯（VilhelmBjerknes）也从未真正用它们做出过预报。
气象预测技术发展趋势研究
气象预测技术发展趋势研究一、气象预测技术的概述气象预测技术是指通过对大气的观测、分析和数值模拟等手段，对未来的天气和气候变化进行预测和预报的一种技术。
气象预测技术在人们的工作生活和农业生产中起着至关重要的作用，它能够帮助人们做好防御工作，避免天气灾害，同时也能够指导人们的生产和决策行为，提高经济效益。
二、气象预测技术的发展历程气象预测技术的发展可以追溯到古代的农历和信条预测，但这些方法并不科学可靠。
现代气象预测技术始于20世纪初，当时气象学科正在逐渐形成。
20世纪40年代，气象雷达问世，这种新的观测手段使人们能够更加准确地预测天气。
20世纪60年代，数值预报法开始发展，这种预测方法结合大气动力学和数学方法，通过计算机模拟大气的运动，从而预测天气。
近年来，气象预测技术得到了快速发展，各类新型观测和预测技术不断推陈出新，气象预测准确率也得到了显著提高。
三、气象预测技术的主要分类1. 气象观测技术气象观测技术是气象预测的基础，其通过对大气的各种物理量的观测和测量，为气象预测提供了必要的数据支撑。
气象观测技术主要包括气象雷达、卫星遥感、自动站等多种手段。
2. 数值预报技术数值预报技术是目前气象预报的主要方法之一，其通过建立大气物理数学模型，利用计算机对大气物理过程进行模拟和计算，从而预测未来的天气情况。
3. 主观预报技术主观预报技术是指主观根据气象观测资料以及对大气运动特征的经验理解和分析，结合气象学知识和经验，进行预测和预报。
主观预报技术的主要方法包括气象预报员手工绘制天气图、利用各种气象资料进行综合评估、利用气象资料和领域知识进行预测以及经验预报等。
四、气象预测技术的发展趋势1. 人工智能与气象预测人工智能的出现，对气象预测技术的发展带来了重要影响。
利用人工智能技术，可以提高气象模型的精度和智能化水平，从而提高气象预测的准确性。
同时，人工智能还可以进行数据挖掘和机器学习，依据历史数据和实时数据快速预测后续的天气趋势。
天气预报技术的发展与现状
天气预报技术的发展与现状天气是人类生活中一个不可忽略的因素，天气的变化会对人们的日常生活和工作产生很大影响。
在现代社会，天气预报已成为人们日常生活中必不可少的一部分，而随着科技的不断发展，天气预报技术也在不断更新和改进。
本文将阐述天气预报技术的发展历程，以及现代天气预报技术的现状和未来发展趋势。
一、天气预报技术的发展天气预报作为现代天文学和气象学的交叉领域，其发展历程大致分为以下几个阶段：1.手工制作阶段早在公元前340年左右，中国的邹衍就通过气象的观测和分析，完成了首部《邹衍算经》。
随后，西方的古希腊人也对天气进行了一些观测和分析，但都比较简单。
直到19世纪初，随着气象观测技术的逐步完善，人们开始有了更多的天气数据可供分析，此时手工制作地图成为主流天气预报手段。
2.数值模拟阶段20世纪50年代初，美国天气学家约翰·冯·诺伊曼提出了数值气象学理论，并首次使用计算机进行数值预报试验，成功预报出了飓风的路径。
从此，数值预报逐渐成为一种新的预报方法。
20世纪60年代后期开始，随着计算机硬件和软件的不断改进，数值预报逐渐成为气象预报的主流技术手段。
3.卫星和雷达监测技术阶段20世纪60年代末期到70年代初期，美国、法国、日本等国家相继发射了自己的气象卫星，并配备了大型地面气象雷达。
通过对卫星数据和雷达数据进行处理和分析，人们可以更加准确地预报天气。
这一阶段的技术手段为基于卫星和雷达监测的天气预报奠定了基础。
4.信息化阶段21世纪初，信息化技术开始应用于气象预报中。
互联网、移动互联网和智能手机的普及，为气象机构开设天气预报网站、发布天气预警、推送智能手机应用等提供了技术支持。
信息化技术的应用使得天气预报更加便捷、及时，并且信息更加丰富和准确。
二、现代天气预报技术的现状现代天气预报技术主要包括数值模拟、卫星与雷达监测、人工智能和大数据分析。
1.数值模拟数值模拟利用数学方程模拟大气运动，并根据此计算未来的天气预报。
近10年中国现代天气预报的发展与应用
近10年中国现代天气预报的发展与应用近10年中国现代天气预报的发展与应用近年来，随着科技的飞速发展，中国现代天气预报系统也取得了巨大的进步与应用。
通过不断改善与创新，现代天气预报系统已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
本文将从中国现代天气预报系统的发展历程、技术创新、应用领域等几个方面进行探讨。
一、发展历程中国现代天气预报系统的发展可追溯至20世纪80年代末。
当时，中国气象局开始引进美国的数值预报模式，并进行了一系列的研究与实践。
经过多年的努力，中国气象局于1995年研制成功了第一个国产数值预报模式-北京大气数值预报模式(BRAMS)。
随着计算机技术的不断进步，中国气象局相继研发了多个数值预报模式，如北京大气会同模式(BRAMS-1)、中国大气模式(ChinaMM5)等。
这些模式在国内外的气象预报中得到了广泛应用，并取得了良好的预报效果。
二、技术创新近10年来，中国现代天气预报系统在技术方面实现了许多重大突破与创新。
首先是数据采集技术的改进。
通过引入卫星遥感技术，天气预报系统能够实时获取全球各地的气象数据，从而提高了预报的准确性。
其次是模型精度的提升。
借助于超级计算机的强大计算能力，现代天气预报系统能够处理更加复杂的数学模型，从而提高了预报的精度和时效性。
此外，人工智能技术的应用也使得天气预报系统在产品推送和预警等方面更加智能化。
三、应用领域中国现代天气预报系统已经在许多领域得到了广泛的应用。
首先是农业生产。
天气对于农作物的生长和灾害防范起着至关重要的作用。
准确的天气预报可以帮助农民合理安排种植和农事活动，提高农产品的产量和质量。
其次是交通运输。
天气对于交通运输的安全性和效率起着重要影响。
合理利用天气预报信息，可以预先安排交通计划，避免不必要的交通拥堵和事故。
此外，天气预报还广泛应用于城市规划、旅游业、环境保护等领域。
四、挑战与展望尽管中国现代天气预报系统在近10年来取得了巨大的进步与应用，但仍然面临着一些挑战。
数值天气预报基本问题及展望
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基本问题、历史及展望
教育部、中国气象局《关于加强气象人 才培养工作的指导意见》2015.2.3
一、优化气象相关专业和人才结构。办 好大气科学、应用气象学、大气物理与大气 环境等学科专业，加强数值天气预报、大气 探测、公共气象服务、气象防灾减灾等方向 的人才培养。 支持行业特色高校统筹招生计划增量与存 量，适度扩大大气科学类专业本科生和研究 生招生规模。
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陈耀登
基本问题、历史及展望
三份重要文件
1.中国气象局《气象科技创新体系建设指导 意见（2014-2020年）》2014.10.30 2.中国气象局《国家气象科技创新工程（ 2014—2020年）实施方案》2014.10.30
3.教育部、中国气象局《关于加强气象人才 培养工作的指导意见》2015.2.3
陈耀登
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基本问题、历史及展望
(2) What are the main components of NWP?
陈耀登
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基本问题、历史及展望
(2a) Model Equations -Dynamics
陈耀登
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基本问题、历史及展望
(2b) Model Physics Parameterization（物理参数化） Small-scale physical processes cannot be represented explicitly in computer models. They must be represented by bulk formulae. This is called parameterization of the sub-grid scale physics（次网格参数 化）.
陈耀登
气象预测技术的发展与应用
气象预测技术的发展与应用气象预测技术是指利用数据分析、数学模型、信息技术等手段对气象要素的变化进行预测。
它在现代社会生产、生活中有着重要的应用，比如：农业农村、水资源、交通运输、环境保护、防灾减灾等领域。
本文将分析气象预测技术的发展趋势和应用现状。
一、气象预测技术的发展历程现代气象预测技术的历史可以追溯到二十世纪初。
当时，人们使用了电报等手段收集了全球气象观测资料。
在此基础上，美国气象学家J.Bjerknes提出了正比例方程和负比例方程，开创了气象数值预报的先河。
随着计算机技术的发展，人们可以收集更多的气象数据，并利用计算机技术开展模型预测。
我国于20世纪80年代初推行了数值气象预报技术，建立了第一套数值气象预报模式。
二、气象预测技术的发展趋势气象预测技术的发展趋势主要是以下三个方向：提高精度、提高时效、创新应用。
1.提高精度：目前，气象预测系统的精度仍然存在较大的提升空间。
为了提高预测精度，人们正在研究如何利用更多的气象数据、气象遥感技术和机器学习算法等手段来改善预报的质量。
2.提高时效：快速有效的气象预测是现代社会中的迫切需求。
人们正在研究减少计算成本、提高计算速度、优化数据传输等手段以便更快地向公众发布预报信息。
3.创新应用：气象预测技术不仅应用于天气预报，还应用于环境保护、农业、水利、交通运输等多个领域。
在这些领域中，人们正在探索创新应用气象预测技术的方法。
三、气象预测技术的应用现状气象预测技术的应用范围非常广泛，下面将分别介绍一些应用情况。
1.气象预报服务：气象部门根据建立的预报模型，发布气象预报服务，供应社会和公众使用。
这些预报产品包括：天气预报、雷达预警、台风路径预测、防雷建议等。
2.水资源管理：气象预测技术在水资源管理中有广泛的应用。
通过对气象数据进行分析和预测，可以提前预测水资源变化趋势并实施水资源调配，从而保证市民和农民的饮水安全。
3.防灾减灾：天气灾害对人们的生命财产安全造成极大的影响。
天有可测风云——数值天气预报的诞生
天有可测风云——数值天气预报的诞生过去，人们对天气的预测主要是凭经验．在民间有许多关于天气的谚语，然而这种预测是很不准确的．如何准确地预测天气情况呢？数学家们把数学计算方法引入了天气的分析，从而诞生了数值天气预报．数值天气预报，指的是运用数学方法，通过数值计算进行天气预报的方法和相关的理论，是现代天气预报及天气变化预测的主要方式．人能算天古代中国人，很早就有通过数的计算来预测天气变化的想法．在中国古代学者看来，天气的变化也是“天文”的一个组成部分，历代的《天文志》都有关于异常天气或气象的记载．既然当时人们已成功地计算出日月星辰的运行，对它们的未来位置进行预测，为什么不能算出天气的变化呢？不过，要说对天气数值预报进行可行性的探讨却是在很久以后．1631年，意大利学者G·伽利略发明了温度计，1643年，他的学生E·托里拆利提出了气压计原理，这使人们有可能对形成天气的某些要素作定量考察．牛顿力学体系的建立和微积分学的创立提供了用数学方法研究气象问题的真正可能性．但对大气现象确切的数学表述却是在两个世纪之后．这一段时间，许多科学家的成果为之奠定了基础．流体动力学方程，波义耳—查理定律，热力学第一定律等以及赫尔姆霍茨、开尔文、瑞利等人的出色的工作等等．1904年挪威气象学家别克内斯指出，天气预报的中心问题就是：已知大气状态在一个时刻的观测值来解一般形式的流体力学方程．这是别克内斯对气象学的一个重大贡献——解决了从数学上怎样作预报的问题．首次明确设法求解流体力学方程的则是英国学者L·F·理查逊，他于1910年推出了解流体力学方程这类非线性偏微分方程的数值解法——有限差方法．这个方法是把连续变量的特征用大量固定而离散的点上的值来表示，对变量的连续变化用它在离散而密布的点上的差来逼近．实际上是用有限差分近似地把所给的偏微分方程化为一系列代数方程，而这些代数方程的解是可以计算出来的．理查逊用他的这一计算方法，求出1910年5月20日6个小时后的天气变化．这可以说是第一次“数值天气预报”．可是，理查逊的预报与实际不符，第一次数值预报失败了．理查逊探讨了失败的原因：首先是对大气运动的描述不够理想，其次是计算方法误差太大，而更精确的计算方法要求更多的计算时间——数据太多了．那么庞大的数据，如果用64000人来计算，才有可能达到6小时前预报天气变化的结果．这简直太费时间和人力了．他的工作和经验汇集在他的《天气预报的数值方法》一书中，为后人打开了一条思路．其后，许多气象学家对大气环流、天气系统又做了详细的研究．美国气象学家罗斯比、豪威茨、查尼等人都创建了一大批新的成果．理论有了改进，算法也有了进展．但是，一个主要的困难摆在面前——计算量特别大，利用人工计算，甚至于利用当时已有的机械式计算机，都不可能在24小时内计算出一天的预报，因而使实际的数值预报成为不可能．预报的成功1946年2月，数值天气预报探讨出现了一个重大的转机——第一台数字电子计算机ENIAC诞生了，计算速度达到了每秒5000次，许多复杂计算现在可以实现了．参加了ENIAC研制工作的美国科学家冯·诺伊曼立即想到把电子计算机用于数值天气预报的可能性．当年他就在美国普林斯顿高级研究院组织了一个小组，来研究数值天气预报的计算机实现问题．后来，罗斯比和查尼都参加了这一工作．这一工作得到了美国国家气象局的支持，挪威的两名气象学家埃利亚森和菲奥托天特也加入了这个小组．最终他们确定了适当的算法，并采用北美上空的观测值作为初始条件．1950年4月，他们利用ENIAC成功地作出世界上第一次正确的数值天气预报．它无论在数学上还是在气象学上都划过一个时代．数值天气预报开始正式成为一项重要的气象工作．1954年国际上成立了联合数值天气预报组织，各国开始重视数值预报的研究工作．后来，电子计算机有了飞快的发展，计算数学也不断得到新的发展，对大气的描述和方程的求解不断完善，数值天气预报也越来越准确．尤其在采用了气象卫星，组成了气象信息系统之后，数值天气预报就成为现代社会生活中不可或缺的因素了．新的努力长期以来，数值天气预报都是建立在确定性数学模型的基础上的，人们认为天气的未来状态完全取决于它的现在状态．但方程对现在的描述，或对初始值的观测都是有误差的，而这些误差将会导致不同的结果．1956年，美国科学家菲利普斯在分析一项气象计算误差的过程中得出一种新的计算不稳定性，它来自规模不同的波动之间的非线性相互作用．人们不断改进数学方法，使天气预报越来越准确．但天气预报往往并不十分准确，报错的事是常遇到的．影响最大的误报事件是1987年10月15日，星期四，英国广播公司的播音员刚播出“最近不会有大风”，可是几小时之后，英格兰南部刮起了一场毁灭性的飓风，损失极其惨重．这是自1703年以来最严重的风灾．这么大的气象变化为什么事前未能查觉？经过大量研究，人们认为这是非线性问题．由于非线性的相互作用，初始条件中气压的微小变化，就可导致完全相反的天气结果．而由微小条件变动产生什么结果，是无法用原来的确定性数学手段预知的．关于非线性，60年代洛伦兹就作过研究，他用计算机“模拟”天气系统，对描述天气变化的偏微分方程作了种种简化，最后得到了3个一阶常微分方程，它们构成一个系统——三阶微分方程组，后来人们就称之为洛伦兹方程．在这种方程中，初始条件的微小变化，用不了多少时间就会导致系统随后演化模式完全不同．究竟出现哪种情况事先不能确定．其实，这就是方程中所包含的非线性项促使系统具有“对初始条件的敏感依赖性”．人们常用“蝴蝶效应”来说明这一点：北京的一只蝴蝶扇动了一下翅膀，这一微小扰动一个月后酿成北美的一场暴风雨．而由蝴蝶扇翅到暴风雨的变化过程是不确定的，因而也是难以预测的．这就是天气预报有误的根本原因，也是目前天气预报还只能用比较模糊的语言的原因．人们对此也作了大量的研究，形成了一门名为“混沌”的新学科．数学家们试图运用这一学科研究前述不确定性从而使天气预报更准确．当然，这一学科还有许多重要的用途．不过它还是刚刚起步，取得的成果还是很受局限的．尽管如此，数值天气预报还是取得许多重要的成果．例如，现在可以相当准确地预报48小时天气，72小时预报也有相当大的准确率．随着数学以及相关科学的发展，天气预报定会越来越准确．。
国家气象中心数值模式及其产品
计算机 CRAY-C92 CRAY-C92 DEC-ALPHA
SP-2 神威-1
CRAY-C92 IBM-SP 神威-1 神威-1
DEC-ALPHA IBM-SP IBM-SP IBM-1S0P
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：
业务模式系统 区域台风路径预报系统（MTTP）
核污染扩散传输模式系统 核污染扩散传输模式系统(HYSPLIT4)
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 森林火险气象条件预报(模型)
森林火险气象等级预报系统 中期集合预报系统 T106L19/32成员 城市空气质量预报系统(47个城市)
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国内80-90年代的数值模式发展
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）
不完全！ 耦合气候系统模式（IAP等）
2020/8/16 ••••••
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中国数值预报业务的进步
2000以后
90年代 (全球、区域)
1991 1992 1995 1996 1997 1998
80年代(A\B模式)
T42L9 LAFS T63L1 HLA T106 HLA 6 FS L19 FS05
时间
1980
1982
第一讲 天气预报的可预报性和动力过程
第一讲天气预报的可预报性和动力过程丁一汇国家气候中心一、数值天气预报的成功是20世纪最重要的科学，技术和社会成就之一。
在过去25年，数值天气预报的技巧有明显提高。
至少是每十年增加1天。
图1.1 1980—2004年南北半球温带地区数值天气预报预报技巧的演变。
ECMWF500hPa 高度距平相关系数（ACC）。
阴影区是南北半球技巧差（Hollingsworth et al., 2003）。
‘存在两个问题（1）高影响天气预报的准确率需要提高。
高影响天气：对社会、经济和环境产生重大影响的天气现象与事件，如对流性和地形降水造成的洪水、暴雨雪、沙尘暴，破坏性地面大风等。
也包括高温/冷害、干旱、影响空气质量的气候条件以及具有高度社会和经济影响的非极端天气等。
它们一般由包含有中尺度天气的温带和热带气旋等天气系统引起。
高影响天气事件的发生是小概率事件，但风险很高，其后果可能是灾难性的。
改进高影响天气的预报技巧是21世纪重大科学与社会挑战之一。
THORPEX计划的建立即是应对这种挑战。
目前已具备五个条件来应对这种挑战：•对大气可预报性的理论和实际界限的认识在深入，包括年际与季节内气候变率对预报技巧的影响；•地球系统观测的扩展；•能够同化各种观测资料的天气预报系统的迅速发展；•具有先进的预报方法，如数值方法改进，物理过程表述更准确合理，集合天气预报方法应用，超级计算速度和存储猛增等；•对预报系统设计和实施的创新理念与途径，据此将大大促进天气信息的社会与经济利用。
（2）预报时效要进一步从7天扩展到14天，即达到中短期天气预报的极限值。
再进一步，与气候预报相衔接，要共同解决2周到几周的天气预报，这是目前无缝隙预报的主要问题。
二、数值天气预报的可预报性问题所谓可预报性是指天气预报在时效上的一种上限。
这由数值天气预报中的不确定性造成：（1）模式中表征物理过程或计算近似造成的不确定性，也称模式误差，尤其是方程中求解的数值近似与不可分辨（次网格）运动的参数化。
数值预报的发展
第一章数值预报的发展历史1.1 数值预报的发展历程数值预报从开始到现在，还不到到一百年的发展历史。
一般来说，人们把上个世纪20年代作为数值预报发展的开始。
1922年英国数学家Richardson(1922)在他的《Weather Prediction by Numerical Process》一书中给出了他之前所作工作的总结。
Richardson 设计了以德国为中心，水平网格距为200km，垂直网格距约为200hPa的四层，范围包括全德国的方案，利用1910年5月20日07Z的观测资料，计算了德国中部04~10Z的地面气压变化。
计算结果显示6小时地面气压变化为146hPa，而实际上地面气压变化不大。
这实际上说明Richardson的实验是失败的，146hPa的气压变化在实际天气过程中一般是不会出现的，只有在台风或龙卷这样的极端天气过程中才会出现。
但Richardson提出了解决这一问题的实用方法。
他提出利用数值方法对运动方程进行积分，并表示如何可能确切地进行。
因为当时还没有计算机，气象观测网又是极其匮乏。
直到上个世纪30年代，随着无线电通信技术的发明，才出现无线电探空仪，高空观测网才开始建立。
因此回顾Richardson 的实验时，单单从观测资料的匮乏就可以导致他的实验失败。
而Richardson 本人在他的书中也估算了一下，为了制作一个有效区域24小时的天气预报，可能需要上万人、以年计的工作量才能完成。
这表明，仅仅依靠当时手摇计算器的水平，计算速度是远远赶不上实际天气的变化的。
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，因此，人们把Richardson的工作认为是现代数值预报的开始，也称为数值预报发展的第一个里程碑。
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。
虽然以后的人们研究表明，Richardson实验的失败不单单是资料匮乏的原因，计算方法本身也存在很多缺陷。
天气预报中的数值模拟技术研究
天气预报中的数值模拟技术研究天气对人们的生活有着重要的影响，因此天气预报的准确性尤为重要。
当前，天气预报中的数值模拟技术引起了广泛关注，本文将探讨其研究现状以及未来发展方向。
一、数值模拟技术的发展历程数值模拟技术的发展历程可以追溯到上个世纪 50 年代，当时首次提出了气象数值模拟的概念。
经过多年的研究，到上世纪 70 年代，美国国家气象局（NCEP）成功地研制出了第一台大规模、可操作性强的数值预报模式，并开始工业化生产。
二、数值模拟技术的研究现状目前，国内外对数值模拟技术的研究已经相当深入。
近年来，气象科学领域普遍采用的数值模拟技术主要是基于大规模数值天气预报模式的。
而数值模拟技术的核心就是模型的建立。
所谓模型，指的是描述大气中物理、化学、动力学等过程的方程式组成的数学模型。
根据这些方程式，通过计算机模拟出现象发生的过程和结果。
目前，国内外主要的数值模拟技术包括：欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的欧洲中期天气预报模式（ECMWF-IFS）、中国气象局全球背景场动力模式（GRAPES）、美国国家气象局全球预报系统（GFS）等。
这些模型都经过多年的实践和改进，能够有效地模拟天气、气候等各种气象现象，并有效地提高了天气预报的准确性。
三、数值模拟技术的应用数值模拟技术广泛应用于天气预报、气候变化研究、大气污染等领域。
现代气象学在大数据、人工智能等技术的加持下，不断向大数据、自动化等方向变化，数值模拟技术也逐渐地应用到了气象灾害预警、气象服务等方面。
例如，中国气象局利用GRAPES模式系统，以及先进的数据传输、处理等技术，为全球气象界提供高品质、高精度、整合化气象资料等大数据服务，促进了全球气象服务中心的建设与共享。
四、数值模拟技术的未来发展方向随着计算机性能的不断提高，数值模拟技术将更加高效和准确。
同时，随着数据时代的到来，数值模拟技术也要与大数据技术、人工智能等新技术相结合。
在天气预报方面，数值模拟技术还需要从多个空间和时间尺度上建立多场景、多指标的多尺度预报系统，实现对不同气象因素的精准预报。
气象预报技术
气象预报技术随着现代科技的迅猛发展，气象预报技术也得到了极大的提升和改进。
气象预报技术是通过收集、分析大量的气象数据，运用各种工具和模型，对未来天气情况进行预测和预报的一项科学技术。
它在农业、交通、航空、海洋等领域起着重要的作用，不仅能够提供给人们准确的天气信息，还能够帮助人们做出正确的决策。
一、气象预报技术的发展历程随着时代的变迁，气象预报技术也经历了多个时期的发展。
最早的气象预报技术是人工观测和判断，通过观察云形、风向、气温等参数来推测天气变化。
而现在，随着先进的气象卫星、雷达和气象探测仪器的出现，气象预报技术实现了从人工推测到科学预测的转变。
1954年，美国气象学家罗斯比推出了数值天气预报方法，开创了数值预报的先河。
该方法以一系列的数学方程模拟大气的动力学和热力学过程，通过计算机模拟来预测未来的天气情况。
这种方法的出现，使得气象预报具备了可靠性和科学性，而不再依赖主观判断。
二、气象预报技术的主要手段1.气象卫星气象卫星是指在地球周围轨道运行的人造卫星，通过携带各种传感器，可以实时观测地球的云系、降水、温度、风速等气象要素。
这些观测数据可以传回地面，为气象预报提供重要的依据。
气象卫星技术的应用，使得气象预报变得更加精确和灵活。
2.气象雷达气象雷达是一种利用微波辐射来探测大气中降水的仪器。
它通过发射微波信号，接收反射回来的信号，可以识别出雨滴、雪花、冰雹等降水的类型和强度。
气象雷达技术的出现，可以实时监测降水的分布和发展态势，为气象预报提供全面准确的数据支持。
3.数值模式数值模式是气象预报中最重要的一种手段，它是将大气动力学、热力学等运动方程以及大量的观测数据输入到计算机模型中，通过模拟计算来预测未来的天气情况。
数值模式不仅可以提供准确的预报结果，还可以进行不同方案的对比和优化，为制定应对策略提供科学依据。
三、气象预报技术的应用领域1.农业气象预报技术在农业领域的应用十分广泛。
农民可以通过气象预报获取到未来的降水情况和气温变化，从而合理安排种植和施肥的时间，提高农作物的产量和质量。
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纳维-斯托克斯方程、考虑地球自转的影响的质量连续性方程和热力学第一定律、理
想气体方程一起构成了一组完整的大气预报方程，大气中的风场、气压场、密度场合温度
场的时空变化都可以用这组方程加以描述。
这些方程需要在时间和空间离散化之后以数值
方法求解，因为这组方程的解析解在数学上极难获得，而这一近似（译注：指原始偏微分
方程近似为离散化的差分方程）造成了通常所谓可解析与不可解析的运动尺度之间的差异。
在不可解析的尺度直到分子尺度发生的物理过程会通过摩擦、凝结和蒸发一类的湿过程
和辐射加热与冷却作为质量、动量和热量的源项进入可解析尺度的方程中。
由于这些过程
通常都无法解析，它们需要按照与可解析尺度的相互作用被“参数化”。
在19世纪与20世纪之交，Abbe和Bjerknes都提出，物理学的定律可以被用于预报天气；他们认识到对大气状况的预报可以被视作数学物理的初值问题，未来的天气可以使用偏微分控制方程从观测到的当前的天气向前积分得到。
这一主张即使以最乐观的牛顿主义决定论（译注2）的观点来解读也是极为大胆的，因为当时鲜少有对大气状况的日常观测，没有计算机，人们对天气过程是否有任何显着程度的可预报性也知之甚少。
但在一百多年之后的今天，这一范式已经变成每天求解从初始时刻到数周甚至数月之后、每个时间步长有着五亿个空间格点、综合考虑空间尺度延伸几百米到几千公里、时间尺度遍及几秒到几周的动力学、热力学、辐射和化学过程的一组非线性微分方程的问题。
与以往所有的概率预报不同，人类在第一次世界大战中，史诗般地第一次通过求解描述大气运动的物理方程做出了天气预报。
创造这一奇迹的是一名35岁的英国气象学家刘易斯·理查森（Lewis Fry Richardson）。
他在20世纪20年代，完成了这一科学史上的壮举。
在那个年代，天气预报的问题是多么的复杂，手工求解那些方程是多么的枯燥，而可用的观测数据又是多么的稀少以至于总结出大气运动方程组的鼻祖——威廉·皮耶克尼斯（VilhelmBjerknes）也从未真正用它们做出过预报。
因此，任何人敢于尝试此事，而且还做得如此出色，都堪称名副其实的奇迹！在70年后的今天，当我们再次回首他的计算结果时，都不得不感慨“这是何等的勇气”。
一个气象学家描述理查森当时所做的数学计算是“迄今为止最卓越、最庞大的计算成就之一”。
在那个计算机还没有出现的时代，他是在头脑中构建并运行一个大气“计算机模式”的。
理查森究竟是如何在炮火纷飞的第一次世界大战的战场中，在穿越泥泞小路的战地救护车上完成他的惊世之举的呢？
就是一个近乎于梦幻的“天气预报工厂”的想法，这是一个与今天用计算机进行数值天气预报（Numerical Weather Prediction）的原理完全类似的想法。
在他那个时代，他脑海中的“计算机”就是“人”。
对于脑海中的这份图景，他这样描述道：在一个类似剧院但没有舞台的大厅中，有无数的“计算机”在四面八方环绕分布，“这个剧场全部的内壁上正好拼贴一张世界地图”，在世界地图对应的各个地方，摆放相应位置的“计算机”，每一个人负责计算他所在格点大气状态的变化量，从剧场地板正中心立起一个半高的柱子，支撑一个指挥台到剧场正中心，一个人在那里负责指挥、协调整个预报工厂的一切，“就像交响乐团的指挥那样”，令所有计算机们按照一定顺序、一个接一个地快速计算。
“在中心指挥台，还要有4名专职人员，负责及时收集计算出的预报结果，并通过一个气动运输装置发送到另一个安静的房间，在那里，这些预报结果要被编码，并用电台发送到无线电中继站。
”：“有一天，理查森告诉我他想在荷兰海牙建造一座类似宫殿的建筑，里面摆放500台…电脑‟，用于处理全世界的观测资料。
所有…电脑‟都受制于大厅中心的一个指挥间，每一个…电脑‟只处理它所在格点的观测数据。
我已告诉他您已经开展了类似的研究，因此我建议他能吸取您已有的经验和结果。
”。