第3章 中期数值天气预报

(3.5)
q 1 Uq 1 Vq Dq q
t a(1 2 ) a
(3.6)
(6)地面气压的倾向方程
t
ln
ps
1
(D V
0
• ln
ps )d
(7) 坐标中的垂直速度方程
(3.7)
1
0 (D V •ln ps )d 0 (D V • ln ps )d (3.8)
(8)P坐标中的垂直速度方程
2、地形的动力影响（阻塞、摩擦、绕流、 爬坡），如青藏高原、落基山（背风槽和龙 卷风）。 3、其它（植被、水面、土壤湿度和温度等）
地形描写不好是我国降水模拟不好的主要原因 之一。
（三）行星边界层和边界条件对大气运动的作用
1、行星边界层距离地面1~1.5km。 2、下垫面供给大气热量和水分的实质表现为动量
一、天气学预报方法的移植和应用： 即根据中期数值天气预报产品提供的天 气形势预报结果，应用天气学基本原理 进行物理分析，判断在这种天气形势下 可能出现怎样的天气过程。在结合预报 地区的自然地理条件等因素，作出具体 的要素预报。
二、数值预报产品的误差分析和订正： 系统误差。
第四节 中期数值预报产品应用的 自动化系统
（4）此后，数值天气预报迅猛发展。到20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。
2、国内：
（1）我国中期数值天气预报起步较晚，发展较快 。
（2）1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方 程组数值预报模式，为我国开展中期数值天气预报奠定 了基础，
2.凝结热流量（1）大尺度凝结（锋面），（2）小 尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两 种方案：（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（大气内部各层之间温度差异）
（二）下垫面的影响
1、下垫面的热力作用 感热、水汽输送（潜热）、长波辐射。
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。
预报时效越长，需要考虑的物理过程越多，所需初 始资料越多。
二、控制大尺度大气运动的主要物理过程 及其参数化
（一）大气内部非绝热加热作用
1.辐射热流量（短波（臭氧、云等）、大气内部长 波（云、CO2、水汽等））
（2）中期数值预报产品的再加工技术：
根据提供的500hPa高度场和地面气压场，计算一 些波谱指数、西风环流指数、副高特征指数等。
（3）合理的预报技术（核心）：
PPM法、MOS法和相似预报法等。
二、系统结构和功能
1、实时数据采集和处理 2、数据产品再加工 3、数据库及其管理（实时数据库和历史个
例数据库（用户建立）） 4、预报制作（上述三种方法） 5、打印输出
二、ECMWF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。
三、物理过程参数化
辐射参数化 地形重力拖曳力效应参数化 地表植被层参数化
通量、热量通量和水汽通量，都发生在行星边界 层内。这些通量要到达自由大气，必须通过行星 边界层。 3、用大尺度运动变量来表达行星边界层内的小尺 度过程，这就是所谓的参数化方法。
（四）大气的边界处理（上、下 、侧边界）。
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 ECWMF最高， 日本气象厅次之。
（2）20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 解决的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，因过于简单未成功。
（3）1956年，Phillips 在这个 简化方程组中加了几个强迫作用 项，进行长期积分，给出了大气环流的许多特征。
直分辨率的提高，导致误差（连续场变为离散场）。 （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 ，导致误差（静力平衡－非静力平衡）。 （3）模式初始场与大气真实场之间有差异导致误差。 （4）格点预报量向站点要素量转换时的误差。 （5）模式量转换为要素量使用的统计关系和诊断方程导
致误差。
（3）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 ， 国家科委也把发展中期数值天气预报定为“七五”期间 重点科研攻关项目。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。
（4）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。
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)
c
p
(
dT dt
1 T p
dp )
dt
dq dt
E
(3.1)
2. 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
Z t
1
a(1 2 )
Fv
1 a
FU
（3.2）
(2)散度方程
D t
1
a(1 2)
FV
1 a
FV
2( E
RT0
ln
ps )
（3.3）
(3)热力学方程
T ' L T0 (
1
Dd
Dd ) RT0
Dd
t
0
0
cp 0
（3.4）
(4)状态方程
(5)水气通s量方R 程0 Tvd ln
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。
1
P V • ln ps
0 (D V • ln ps )d
(3.9)
3模式大气的垂______ 1
0,
0
1 p1 (T1,U1,V1, q1,1, D1)
11 2
___________ 2
2 P2
2
1 2
___________ 3
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。
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 （预报结果存在误差，需要修正、订正）。 （1）计算机的能力和速度限制了模式的水平分辨率和垂
释用的必要性
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。
释用方法
天气学释用、统计学释用、动 力学释用、 人工智能释用、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。
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”（新的气象事业发展战略）
一、基本思想和关键技术
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。