多尺度大气数值预报的技术进展
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而 大 气 的 动 力 学 特 性 与 天 气 系 统 的 时 空 尺 度 密 切 相 关 已经成 为众 所周 知 的事实 。
大气 环流 模式 和 中尺 度 大气 动 力 模 式 的 区别 ， 出现
了全球 中尺度模 式 和数值 模 拟 。
就数 值预 报 的时 间尺 度来 讲 ， ３ｄ内 的短 期 、 两
年代 的云 系可 分辨 模式 、 涡模 拟 ， 大 以及 耦合 大 气海 洋模 式等 ， 模式 的动力 和物 理过 程不 断 复杂 化 、 细 精 化 、 样 化 、 富 化 ， 且 计算 网 格 也 随着 计 算 机 的 多 丰 而 进 步 而不 断缩小 。特别是 进 入 ２ １世 纪 ， 日本地 球 以 模 拟 器为 代表 的 巨型机 的计算 能 力达 到 每秒 几 十万
周 以内 的 中期 数值 预报 和月 季尺 度 的长 期数 值 预报
引 言
动力 气象 学理 论在 区分 了不 同动力 过 程 的 时空 尺 度之后 得 到 了快 速 发 展 ， 度 分 析 作 为 一 种 手 段 尺
奠 定 了大 气 动 力 学 基 础 ， 时 空 尺 度 概 念 也 由 此 成 而
世纪 ２ ０年代 ， ｉｈ ｒ ｓ ｎ１首 次 数值 预报 失 败 正 是 Ｒ ｃ ａｄ ｏ ｌ
对 大 气 动 力 过 程 的 多 尺 度 性 缺 乏 充 分 认 识 而 致 。 到 ２ Ｏ世 纪 中 叶 ， ｈ ｒ ｅ Ｃ ａｎ ｙ等 则 针 对 天 气 尺 度 过 程 采 用 简 化 的 动 力 方 程 组 成 功 给 出 了 ５ ０ｈ ａ高 度 和 涡 ０ Ｐ
式 。从 ７ ０年 代 后 期 的 全 球 和 区 域 预 报 模 式 ， ８ 到 Ｏ
为 动力气 象学 发展 到相 当高 度 的标 志 之 一 。对 各 种 尺度 天气 现象 及其 大气 动力 学性 质 和规 律 的认 识 成
为 动 力 气 象 的 主 要 任 务 ， 数 值 模 拟 和 数 值 天 气 预 而 报 则 是 实 现 这 一 认 识 过 程 的 手 段 和 实 践 应 用 。 ２ ０
第 ２ １卷 ２期
２１ ０ ０年 ４月
应 用 气 象 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＡＰＰ ＥＤ ＥＴＥ ＬＩ Ｍ ＯＲＯＬ ＯＧＩ ＣＡＬ Ｓ Ｉ Ｃ ＥＮＣＥ
ＶｏＩ １， Ｎ Ｏ ．２ ．２
Ａｐｒｌ２ ０ ｉ ０１
多 尺 度 大 气 数 值 预 报 的 技 术 进 展
机理 不 同 ， 采 取 的 方 法 也应 不 同 。 由于 大气 动力 所
过程 的非 线性 和混 沌现 象 的存在 ， 、 期数 值 天气 中 长
预报 和气 候预 测 不 可 能 在 确定 论 的框 架 下 实 现 ， 集 合预 报技 术 和 动 力 统 计 预 报＿ 提 供 了处 理这 一 尺 ３ 度预 报 的可行 方 案 。本 文将 撇 开 １周 以上 的预 报 ， 针对 短 、 中期 数值 天 气 预 报 的 发 展 来 介 绍 多尺 度 数 值预 报模 式发 展 的趋 势 和 一些 新 的计 算 技 术 方 案 。 从 ２ ０世 纪 ５ Ｏ年代 首 次 数 值 预 报ｌ 成 功后 ， 值 预 ２ 数 报模 式开 始逐 步 向 多样 化 、 杂 化发 展 。６ 复 ０年 代 大 气环 流模 式 出现 ， 后 也 成 功 地 开 发 了海 洋 环 流模 其
亿 次 ， 值 模 式 向 全 球 和 细 网 格 发 展 ］从 而 模 糊 了 数 ，
度 预报 场 。随 着 大 气 动 力 学 和 计 算 数 学 理 论 的 发
展， 人们认 识 到大 气 动 力 的非 线 性 和 数 值 计 算 的 稳 定性 问题 直接 导致 了 Ｒ ｃ ａｄ ｏ ｉｈ ｒ ｓ ｎ数 值 预 报 的 失 败 ，
彭 新 东Ｄ 李 兴 良 ’
（ 国气 象 科 学 研 究 院 灾 害 天 气 国家 重 点 实 验 室 ， 京 １ ０ ８ ） 中 北 ００ １
’ 中 国气 象 科 学 研 究 院 ， 京 １ ０ ８ ） （ 北 ０ ０ １
摘
要
随着 计 算 机 和计 算 理论 的 发 展 ， 值 模 式 正 在 向 全 球 化 、 细 化 发 展 ， 数 精 以适 应 多 尺 度 、 目的应 ｊ 多 ｝ 的要 求 ， 而 ｝ 从
高 性 能 计 算 方 案有 利 于 多 尺 度 预 报 。结 合 当前 多 尺 度 预 报 的 国 际研 究 热 点 和 开 发 前 沿 ， 讨 我 国 新 一 代 多 尺 度 数 探
值 预 报 系 统 Ｇ ＡＰ ｓ的进 一 步发 展 及 改 进 方 向 。 Ｒ Ｅ 关 键 词 ：多 尺度 预 报 ； 静 力 近 似 Baidu Nhomakorabea 用 模 式 ；计 算 技 术 非 通
模 糊 ｒ大 气 环 流模 式 和 中 尺 度数 值 模 式 的 界 限 ， 主 要 手 段 就 是 改 进 模 式 动 力 框 架 、 散 化 手 段 、 算 方 法 、 理 其 离 计 物 过 程 的普 适 性 。在 实 际应 用 中 如何 提 高模 式 的 多 尺 度 计 算 性 能 则 是 问 题 关 键 。 该 文 从 模 式 球 面 坐 标 系 、 格 构 网 造 、 散 化 方 法 的 动 力 特 性 、 直 坐标 和 地 形 处 理 以及 对 物 理 过 程 的要 求 出 发 ， 讨 分 析 多 尺度 大 气 数 值 模 式 的 特 离 垂 探 点 ： 球／ 全 区域 可 选 、 静 力 近 似 、 非 具有 良好 的 频 散 关 系 和 详 细 的物 理 过 程 ， 直 高 度 坐 标 和 “ 切 ” 形 对 多 尺 度 通 垂 剪 地 用 模 式 的改 良 十分 重 要 。 除 匕 特 点 外 ， 式 所 采 用 的 计 算 方 法 也 应 该 最 大 限 度 地 描 述 大 气 动 力 过 程 特 性 ， 用 述 模 采
大气 环流 模式 和 中尺 度 大气 动 力 模 式 的 区别 ， 出现
了全球 中尺度模 式 和数值 模 拟 。
就数 值预 报 的时 间尺 度来 讲 ， ３ｄ内 的短 期 、 两
年代 的云 系可 分辨 模式 、 涡模 拟 ， 大 以及 耦合 大 气海 洋模 式等 ， 模式 的动力 和物 理过 程不 断 复杂 化 、 细 精 化 、 样 化 、 富 化 ， 且 计算 网 格 也 随着 计 算 机 的 多 丰 而 进 步 而不 断缩小 。特别是 进 入 ２ １世 纪 ， 日本地 球 以 模 拟 器为 代表 的 巨型机 的计算 能 力达 到 每秒 几 十万
周 以内 的 中期 数值 预报 和月 季尺 度 的长 期数 值 预报
引 言
动力 气象 学理 论在 区分 了不 同动力 过 程 的 时空 尺 度之后 得 到 了快 速 发 展 ， 度 分 析 作 为 一 种 手 段 尺
奠 定 了大 气 动 力 学 基 础 ， 时 空 尺 度 概 念 也 由 此 成 而
世纪 ２ ０年代 ， ｉｈ ｒ ｓ ｎ１首 次 数值 预报 失 败 正 是 Ｒ ｃ ａｄ ｏ ｌ
对 大 气 动 力 过 程 的 多 尺 度 性 缺 乏 充 分 认 识 而 致 。 到 ２ Ｏ世 纪 中 叶 ， ｈ ｒ ｅ Ｃ ａｎ ｙ等 则 针 对 天 气 尺 度 过 程 采 用 简 化 的 动 力 方 程 组 成 功 给 出 了 ５ ０ｈ ａ高 度 和 涡 ０ Ｐ
式 。从 ７ ０年 代 后 期 的 全 球 和 区 域 预 报 模 式 ， ８ 到 Ｏ
为 动力气 象学 发展 到相 当高 度 的标 志 之 一 。对 各 种 尺度 天气 现象 及其 大气 动力 学性 质 和规 律 的认 识 成
为 动 力 气 象 的 主 要 任 务 ， 数 值 模 拟 和 数 值 天 气 预 而 报 则 是 实 现 这 一 认 识 过 程 的 手 段 和 实 践 应 用 。 ２ ０
第 ２ １卷 ２期
２１ ０ ０年 ４月
应 用 气 象 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＡＰＰ ＥＤ ＥＴＥ ＬＩ Ｍ ＯＲＯＬ ＯＧＩ ＣＡＬ Ｓ Ｉ Ｃ ＥＮＣＥ
ＶｏＩ １， Ｎ Ｏ ．２ ．２
Ａｐｒｌ２ ０ ｉ ０１
多 尺 度 大 气 数 值 预 报 的 技 术 进 展
机理 不 同 ， 采 取 的 方 法 也应 不 同 。 由于 大气 动力 所
过程 的非 线性 和混 沌现 象 的存在 ， 、 期数 值 天气 中 长
预报 和气 候预 测 不 可 能 在 确定 论 的框 架 下 实 现 ， 集 合预 报技 术 和 动 力 统 计 预 报＿ 提 供 了处 理这 一 尺 ３ 度预 报 的可行 方 案 。本 文将 撇 开 １周 以上 的预 报 ， 针对 短 、 中期 数值 天 气 预 报 的 发 展 来 介 绍 多尺 度 数 值预 报模 式发 展 的趋 势 和 一些 新 的计 算 技 术 方 案 。 从 ２ ０世 纪 ５ Ｏ年代 首 次 数 值 预 报ｌ 成 功后 ， 值 预 ２ 数 报模 式开 始逐 步 向 多样 化 、 杂 化发 展 。６ 复 ０年 代 大 气环 流模 式 出现 ， 后 也 成 功 地 开 发 了海 洋 环 流模 其
亿 次 ， 值 模 式 向 全 球 和 细 网 格 发 展 ］从 而 模 糊 了 数 ，
度 预报 场 。随 着 大 气 动 力 学 和 计 算 数 学 理 论 的 发
展， 人们认 识 到大 气 动 力 的非 线 性 和 数 值 计 算 的 稳 定性 问题 直接 导致 了 Ｒ ｃ ａｄ ｏ ｉｈ ｒ ｓ ｎ数 值 预 报 的 失 败 ，
彭 新 东Ｄ 李 兴 良 ’
（ 国气 象 科 学 研 究 院 灾 害 天 气 国家 重 点 实 验 室 ， 京 １ ０ ８ ） 中 北 ００ １
’ 中 国气 象 科 学 研 究 院 ， 京 １ ０ ８ ） （ 北 ０ ０ １
摘
要
随着 计 算 机 和计 算 理论 的 发 展 ， 值 模 式 正 在 向 全 球 化 、 细 化 发 展 ， 数 精 以适 应 多 尺 度 、 目的应 ｊ 多 ｝ 的要 求 ， 而 ｝ 从
高 性 能 计 算 方 案有 利 于 多 尺 度 预 报 。结 合 当前 多 尺 度 预 报 的 国 际研 究 热 点 和 开 发 前 沿 ， 讨 我 国 新 一 代 多 尺 度 数 探
值 预 报 系 统 Ｇ ＡＰ ｓ的进 一 步发 展 及 改 进 方 向 。 Ｒ Ｅ 关 键 词 ：多 尺度 预 报 ； 静 力 近 似 Baidu Nhomakorabea 用 模 式 ；计 算 技 术 非 通
模 糊 ｒ大 气 环 流模 式 和 中 尺 度数 值 模 式 的 界 限 ， 主 要 手 段 就 是 改 进 模 式 动 力 框 架 、 散 化 手 段 、 算 方 法 、 理 其 离 计 物 过 程 的普 适 性 。在 实 际应 用 中 如何 提 高模 式 的 多 尺 度 计 算 性 能 则 是 问 题 关 键 。 该 文 从 模 式 球 面 坐 标 系 、 格 构 网 造 、 散 化 方 法 的 动 力 特 性 、 直 坐标 和 地 形 处 理 以及 对 物 理 过 程 的要 求 出 发 ， 讨 分 析 多 尺度 大 气 数 值 模 式 的 特 离 垂 探 点 ： 球／ 全 区域 可 选 、 静 力 近 似 、 非 具有 良好 的 频 散 关 系 和 详 细 的物 理 过 程 ， 直 高 度 坐 标 和 “ 切 ” 形 对 多 尺 度 通 垂 剪 地 用 模 式 的改 良 十分 重 要 。 除 匕 特 点 外 ， 式 所 采 用 的 计 算 方 法 也 应 该 最 大 限 度 地 描 述 大 气 动 力 过 程 特 性 ， 用 述 模 采