第三章中期数值天气预报

释用方法
天气学释用、统计学释用、 动力学释用、 人工ຫໍສະໝຸດ Baidu能释用、 有限模式增强预报、专业数 值预报模式、动力延伸预报、 人机对话实时业务系统。
一、天气学预报方法的移植和应用P35~36 二、数值预报产品的误差分析和订正 P36~39 两个时段：1982.5-8月48、72预报统 计结论，1988.3-4 72，96，120H预报统 计结论
第三章
中期数值天气预报
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 报的方按法。 数值天气预报历史： 国外：世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家 Lewis Fry 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。到了本世纪40年代，世界上第一台电子计算机 的问世，数学家John von Neumann 解决了第一个问题是预报天 气形势。以Charney 为首的一批科学家在其第一次数值天气预报 中是用滤去声波和重力波的简化方程组，几年后Phillips 在这个 简化方程组中加了几个强迫作用项进行了长期积分并给出了大气 环流的许多特征。自此以后数值天气预报取得了迅猛的发展。到 本世纪70年代中期以来，由于波谱技术的应用，所以目前许多国 家都采用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ECWMF的中期数值天气预报水平最高。
第一节 中期数值天气预报的物理基础
数值预报模式的基本方程组概念P23 大气模式的概念P23 一、基本方程组 1.基本方程组的一般形式
1 dV dt p 2 V g F d V 0 dt p RT (1 0.608q ) dT 1 T dp cp ( ) dt p dt dq E dt
(3.6)
(6)地面气压的倾向方程
1 ln ps ( D V ln ps )d 0 t
(3.7)
(7)

坐标中的垂直速度方程

1
( D V ln ps )d ( D V ln ps )d (3.8) 0 0
(8)P坐标中的垂直速度方程
三、物理过程的参数化
除前述外， WCMWF业务运行的T213 L31 全球谱模式 1、辐射参数化 2、地形拖拽力的参数化 3、地面植被层的参数化
第二节
欧洲中期天气预报中心业务系统
一、几种预报模式预报水平的比较P33 ECWMF最高， 日本气象厅次之， 美国国家气象中心最差图参看图3.2 二、WCMWF资料的四维同化 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， ECWMF使用这种间断式同化方法，主要目 的是为本中心的业务预报模式 提供初始场。
4.短、中模式大气的含义比较P25~26
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。 时效是7-10天的预报，则初始时刻已经存的温带气旋会 有效地从低纬向极地输送热量。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，由平流层中层一直扩展到海洋表 面层，甚至还要扩展到另一个半球。 对于一周以上的预报，则需要使用包括大气和海洋 各种 动力过程的完整的动力学模式，需要全球各层的观测 资料。
(3.1)
2.变分推倒的适于中期数值天气预报的球谱模 式的基本方程组（不考虑水平扩散和非绝热 项）P24~25 8个方程 (1)绝对涡度方程
Fv Z 1 1 F U t a (1 2 ) a （3.2）
(2)散度方程 FV 1 FV D 1 2 ( E RT0 ln ps ) 2 t a(1 ) a （3.3）
1 ___________ 2 2
2 P 2
2 1 ___________ 3 2
3 P 3
N 1 _________ 2

N
N PN
N
1 __________ N 1 0, 1, ln p0 , 0 2
国内：
我国中期数值天气预报起步较晚，但发展较快 。 1976年中国科学院大气所提出了一个比较简洁、稳 定而灵活的计算格式，后来又经过一系列的实验， 为我国开展中期数值天气预报奠定了基础，之后国 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 ， 为完成任务，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1990年1月，国家气象中心在ECMWF的波谱模式 的基础上加以改进的中期数值天气预报 T42L9 的谱 模式和整个中期数值天气预报业务 系统一起投入业 务运行，经过一年的预报实验，证明了系统性能稳 定可靠，并于 1991年1月正式转为业务运行。
(3)热力学方程
1 T0 RT0 T ' L ( Dd Dd ) Dd 0 0 t c p 0
（3.4）
(4)状态方程
s R Tv d ln
0

(3.5)
(5)水气通量方程
U q 1 Vq q 1 q Dq 2 t a(1 ) a

P V ln ps

1

0
( D V ln ps )d
(3.9)
3模式大气的垂直分层和变量的位置P25
1 p1 (T1 ,U1 ,V1 , q1 , 1 , D1 )
1
1 ____________ 1 0, 0 2
二、控制大尺度大气运动的主要物理过程 及其参数化
（一）非绝热加热作用 1.辐射热流量 2.凝结热流量（1）含义 P27（2）大尺度凝 结P27 （3）对流参数化方法P27~29 概念P27 两种方案P28-29（对流调整方案 （空气饱和、空气未饱和）、水汽辐合方案 （郭晓岚方案及假设、积云产生的条件、模式 云、降水）） 3.湍流热量P29
释用的概念：
指在数值预报模式输出产品的基础上 结合预报员的 经验，考虑本地区的天气、气候特点，综合运用动力学、 统计学、天气学、人工智能等 各种方法对模式输出的 产品进行解释和再 分析并经过必要的订正，应用于本 地区的天气预报。
释用的必要性
1.业务数值天气预报模式的局限性。 （1）计算机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。 （2）计算机能力的限制制约着模式中物理过程 参数化方法的准确性 。 2.目前气象业务单位所能得到的中期数值预报产 品主要是500Hpa 高度场、地面气压场等形势 场预报结果，但气象保障服务要求的是具体的 气象要素预报，所以必须将形势预报 转化为具 体的 要素预报，才能真真的发挥中期数值预报 的作用。
（二）下垫面的影响 1下垫面的热力作用P29~31其中感热、水汽输 送。 2地形的动力影响（阻塞、摩擦）P31 其中还应有地形的热力作用（同期、滞后热 力作用P31 （三）行星边界层和边界条件对大气运动的作用 行星边界层的概念P31 下垫面供给大气热量和水分的实质表现为动量通 量、热量通量和水汽通量（在行星边界层内） 边界层过程的参数化 边界处理（上、下 、侧边界）
第三节
中期数值预报产品的解释与应用
中国气象局气象事业发展的总规划：
建立起“以数值天气分析 预报产品 为基础，结 合运用动力学、统计学、天气学、人工智能等方法，结 合本地区的天气、气候特点和预报员经验，发展具有本 地区特点的预报技术、方法，进行分片或 分地区预报 ， 以加强对基层气象台站 的天气预报指导能力和提高本 地区天气预报准确率 ，建立和健全 从中央到地县 由上 向下逐级指导、大中小尺度相结合的适合 我国国情的 天气预报业务技术流程和灾害性天气预警系统”