数值预报简介

日本气象厅数值预报模式
Forecast Model Global Spectrum Model Regional Spectrum Model
Objectives Medium-range forecast Short-range forecast
Grid size, 0.5625deg
20km
Meso-Scale Model Short-range forecast 10km
特点： 1、半隐式-半拉格朗日时间积分方案（非欧拉） 2、经纬度格点差分模式 3、有限区域和全球模式“统一模式” 4、静力平衡和非静力平衡可选 5、 Arakawa-C 跳点 6、垂直方向为Charney-Phillips 变量隔层设置 7、高度地形追随坐标
8、三维矢量轨迹计算
GRAPES模式特点
Number of grids 640*320 Vertical levels 40 levels
325*257 40 levels
361*289 40 levels
up to 0.4hPa Forecast hours 90h (00UTC)
up to 10hPa 51h
up to 10hPa 18h
日本气象厅数值预报模式
2、区域谱模式（ASM）
水平分辨率为20km，垂直40层。预报起始时刻为00（世界）时 和12（世界）时。预报时时效为0 - 72小时。 模式预报区域为以日本为中心的5100km x 4300km 的区域。我 国东部地区在其范围之内。该模式的预报结果大多以传真图的形 式向外发布。 我国单收站能收到ASM模式一天两次的0-72小时的地面气压和 降水（12-24h、24-36小时、24-48h、48-72h）、0-36小时 的500 hPa温度和700 hPa温度露点差、0-48小时的850 hPa温 度和风场、700 hPa垂直速度。
WRF模式（降水量）
GRAPES模式
GRAPES （Global/Regional Assimilation PrEdiction System） 我国自主开发研制的新一代、多尺度统一的数值模式
2000年9月，国家科技部批准“十五”国家重点科技公关项目“中 国气象数值预报系统技术创新研究”
GRAPES模式特点
ETA 模式
用于做降水预报的有限区域模式。水平分辨率32 公里，垂直45层，每天在世界时00点和12点作 两次48小时预报。该模式对大雨以上级别的预报 技巧评分比原来的套网格预报模式NGM提高了近 10%
中国国家气象中心数值预报模式
目前中央气象台运行的模式产品主要有：
T213 T639 WRF GRAPES HLAFS 沙尘模式 人影模式 海浪模式和台风模式 集合预报
水平格距为1°×1°，共1864个场，16个层次，24个要素， 15个预报时效
T213模式（散度）
T213模式（降水量）
WRF模式
WRF(Weather Research Forecast) 是1997年美国国家大 气研究中心(NCAR)中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报 中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报 研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四 部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式
ECMWF全球谱模式
TL511L60
欧盟主要国家于1976年组建了ECMWF，至1979年建立了全球 中期数值预报业务系统，并正式投入运行。
经过几十多年的发展，该模式（TL511L60）是目前世界上性能 最好的全球模式。水平分辨率40公里，垂直方向为分为60层。 其数据同化采用了先进的四维变分技术以形成模式分析场和初始 场。此外，它还拥有51个成员的集合预报业务系统 （51*TL255L40 - 水平分辨率80公里，垂直40层）。 其产品包括各标准等压面的温度、比湿、风、高度、云水含量以 及其他诊断量，地面气压，降水，地面温度（2m处）和风 （10m处）等。预报时次0 – 240小时（10天），有效预报时效 （500hPa高度距平相关系数达60%以上）达7天。集合预报产 品包括“邮票”图和天气要素（温度、风和降水等）的概率分布 图等。
组成：动力学过程模型+观测 目标：调整模型轨迹，减小误差
DA的方法
1. Direct Insertion 2. Statistical Correction 3. Successive Correction 4. Optimal Interpolation (OI)/Statistical
Interpolation 5. Analysis Correction 6. Nudging 7. Variational (Gauss-Markov) over Space
数值预报简介
新疆气象台
2008年12月
内容提要
数值预报简介 业务数值预报种类
数值模式的重要作用
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。
数值模式丰富的诊断产品为拓展气象服务提供 了重要支撑。
发展SISL而不是欧拉模式 大气中垂直方向的声波和水平方向的重力外波的传播速
度比局地风速快好几倍。显式欧拉差分方案的时间步长完 全依赖于快波的速度，对于一个全球经—纬度格点差分模 式来说，由于经线在极地汇合，这一问题变得尤其严重。 对那些包含有快波的项采用隐式（或半隐式）处理，可以 取较长的时间步长也不会降低计算稳定度和精度 （Skamarock et al., 1997）。Staniforth（1997）指 出隐式（或半隐式）时间差分方案还可“滞后”（retard） 有限区域模式的侧边界误差（或变网格模式的外区域误差） 向内的传播。
日本气象厅数值预报模式
日本的模式主要有两个，即全球谱模式（GSM）和远东区域谱模 式（ASM）。 1、全球谱模式（GSM） 日本全球谱模式的分辨率为T213L40， 相当于水平分辨率60km， 垂直40层。 预报起始时刻为00（世界）时和12（世界）时。00时起始的预报 时 次 为 0-84 小 时 (3 天 半 ),12 时 起 始 的 预 报 时 次 为 0-192 小 时 (8 天）。 我国单收站能收到的该模式的格点数据（其格距为2.5°× 2.5°） 为4个时次（00 24 48 72）的500 hPa 高度场。此外，单收站 还能收到该模式直到8天的500 hPa高度和涡度场、地面气压场 和850 hPa温度场预报的传真图。
GTS
数据库
产品分发 网络调用
资料的获取和预处理
客观分析
数
值
预
预报（对时间积分）
报
流
程
图
后处理
图形显示
基本方程组
将力学和热力学的基本方程应用于空气微元，得到大 气运动的基本方程组，包括 动量守恒方程（运动方程〕、 质量守恒方程（连续方程〕、 能量守恒方程（热力学方程）、 水汽方程和空气状态方程。 上述方程加上适当的初条件和边条件构成闭合的方程 组。
发展需求
ห้องสมุดไป่ตู้
人影
天气 预报
雷电
大气 成分
农业 生态
气候 预测
气候 变化
空间 天气
•
•
数值天气
耦合气候
预报模式
预测模式
系统 数值模式 系统
设备、观测、资料、人才
一、数值预报简介
数值天气预报定义：
所谓数值预报，就是在给定初始条件和边界条 件的情况下，数值求解大气运动基本方程组， 由已知的初始时刻的大气状态预报未来时刻的 大气状态。 数值预报问题主要分为两个方面 一个是初值场的确定 一个是对大气方程组的时间积分
T213模式
T213L31 模式是国家气象中心的全球谱模式。该模式是 在80年代末引进欧洲中期数值预报中心（ECMWF）T42L9 全球谱模式基础上逐步改进升级而成。其水平分辨率约等效 于62.5公里，垂直分层为31层。其数据同化周期为6小时， 客观分析方法为最优统计插值。预报时效168小时
产品相应地以GRIB码的形式通过卫星通信传输每天分发两 次。产品内容很丰富，包括各标准等压面层的高度、温度、 湿度和风，以及一些诊断量如垂直速度、涡度、散度、温度 平流、涡度平流、水汽通量、水汽通量散度、假相当位温和K 指数等
WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求，形成了两个不 同的版本，一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的 ArW(Advanced Research WRr)，另一个是在NCEP的Eta 模式上发展而来的NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model）
WRF模式
模式在垂直方向上采用欧拉质量坐标，分为35层，顶层气 压为50hPa。模式水平分辨率为20km。 时间积分方案:Runge-Kutta的三阶。
(3DVAR) 8. Kalman Filter (KF) 9. Variational over Space and Time (4DVAR)
二、业务数值预报种类
数值预报模式分： 气候模式 谱模式 全球模式 天气模式 格点模式 区域模式
几种模式简介
ECMWF全球谱模式 日本气象厅数值预报模式 美国NCEP模式
全球谱模式
美国国家环境预报中心的全球中期数值天气预报 模 式 ， 从 1995 年 的 T126L28 升 级 到 目 前 的 T170L42，即水平分辨率从1°× 1°增加到0.7°× 0.7°（约为80公里）。垂直层次从28层增加到42 层。每天在世界时00点用T170L42作7天预报， 随后用T126L28作第8天到第16天的预报。
大气运动复杂性
大气运动是非常复杂的，下列因素是造成大气 运动复杂化的主要因素：
1）运动方程组的非线性； 2）下垫面的非均一性； 3）大气运动的湍流性； 4）水的三相变化。
True
Prediction
Analysis
Observation
初始场的确定
1 大气观测（探测）系统 2 数据同化（客观分析）方法
discretization errors which prevent from being a perfect image of the true state
数据同化定义
数据同化的核心思想是在模型的动力框架内，融合不 同来源和不同分辨率的直接与间接观测，将动力学过 程模型和各种观测算子（如辐射传输模型）集成为不 断地依靠观测而自动调整模型轨迹，并且减小误差的 预报系统
大气观测系统
目前状态：常规探空、地面观测、浮标站、自动气象站、 飞机报告、小球测风、风廓线仪、云迹风、极轨卫星 多通道垂直探测器（TVOS）辐射率、星载后向散射 仪测海面风速、下投式探空。
在建项目：数千通道的极轨卫星垂直探测器数据、地基 GPS、空基GPS、新一代天气雷达数据、星载多普勒 激光雷达。
网格形式采用Arakawa C格点 模式初始场由此3DVAR变分同化方案提供,侧边界与背景
场由T213L31中期预报模式提供,边界条件6小时更新一次。 ARW自V2．0起实现了嵌套，可以进行灵活的单向、双向、
移动嵌套，嵌套层数可达9层 ARW提供了大量的物理方案选项，并采用高度模块化，可
插拔程序设计
216h (12UTC) Forecast domain Global
(00,12UTC)
(00,06,12,18UTC)
East Asia centering on Japan East Asia centering on Japan
美国NCEP模式
美国是世界上最早开展数值天气预报研究并建立数值天气 预报业务的国家。早在50年代就建立了北半球数值天气形 势预报业务，80年代初就形成了全球和区域资料同化预报 系统。全球中期天气预报模式、以降水为主要预报对象的 有限区域预报模式以及专项预报（如台风）模式构成了数 值天气预报体系，以后又发展了短期气候和集合预报业务 模式。九十年代，NCEP最早实现了气象资料三维变分同化 业务，使大量卫星资料在数值天气预报中得到应用，改进 了分析和预报质量。
观测误差来源
observation errors:
errors in the observation process (instrumental errors, because the reported value is not a perfect image of reality),
errors in the design of the operator and representativeness errors i.e.