數(shù)值天氣預(yù)報基礎(chǔ)(朱禾制作)第一講現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的發(fā)展數(shù)值預(yù)報的發(fā)展數(shù)值預(yù)報在現(xiàn)代天氣預(yù)報中的地位和作用氣象預(yù)報的四個方面問題當(dāng)前的天氣或氣候信息—完備的綜合觀測系統(tǒng)

完善的觀測系統(tǒng)；資料信息識別；資料的綜合處理（同化）天氣或氣候的演變規(guī)律—從資料得到新認識

從資料得到新認識；反映大氣運動數(shù)學(xué)物理規(guī)律的微分方程組。外力和強迫的變化—地形和邊界強迫；太陽常數(shù)；引力等從已知預(yù)報未來的手段—完備的數(shù)值模式；承載數(shù)值模式計算、顯示和通訊平臺駕馭觀測、資料分析和數(shù)值模式發(fā)展和應(yīng)用的人才隊伍氣象學(xué)的精髓是要掌握在地球系統(tǒng)多圈層相互作用影響下大氣的動力、物理和化學(xué)的演變規(guī)律，依據(jù)已知的信息，預(yù)知大氣未來的演變過程和狀態(tài)。非線性多尺度多圈層相變（躍變）多種強迫和反饋動力、物理和化學(xué)綜合人們預(yù)報天氣的實踐自古有之，數(shù)值天氣預(yù)報是從上個世紀20年代才開始發(fā)展進入實踐的一門新興天氣預(yù)報技術(shù)。數(shù)值天氣預(yù)報（NumericalWeatherPrediction）：是通過用數(shù)值方法求解支配大氣運動的流體動力學(xué)和熱力學(xué)方程組，來預(yù)報未來的大氣環(huán)流形勢和天氣。特點：數(shù)字化，定量客觀。數(shù)值預(yù)報的發(fā)展歷程數(shù)值預(yù)報的觀念始于1904年，挪威氣象學(xué)家，VilhelmBjerknes提出定量預(yù)報是一個數(shù)學(xué)初值問題。只要知道大氣的初始狀態(tài)，便可以從求解一組描繪大氣運動的數(shù)學(xué)方程組中得到未來天氣的演變。1922年Richardson將這一概念帶入實踐—現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的第一個里程碑。雖然，Richardson的實驗結(jié)果使人沮喪，以至其后20多年里數(shù)值預(yù)報無人問津，但現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的發(fā)展確實是按照Richardson當(dāng)年的思路在發(fā)展。他不僅確立了現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的基本觀念，也提出了解決這一問題的具體方法。

現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)：

1916－1918年，Richardson(英數(shù)學(xué)家）所作的實踐。并于1922出書總結(jié)，預(yù)報結(jié)果是失敗的，且按當(dāng)時的計算條件是不可能趕上預(yù)報實效的。 雖然他的實踐失敗了，但現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報技術(shù)與Richardson當(dāng)年的方案有著驚人的相似之處。因此，Richardson的實踐被認為是——現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報的第一個里程碑。大氣運動可以用一組代表大氣運動的動、熱力學(xué)方程組來表示。未來大氣的狀況可以通過數(shù)值求解上述方程組獲得，在數(shù)學(xué)上看，上述求解過程是解決一個初值問題。L.F.RichardsonRichardson實驗失敗的主要原因方案過于普遍化，對大氣波動和數(shù)值計算中的一些基本理論問題認識不夠。大氣變化實際上是多種波動的疊加，其中代表天氣意義的變化的波動是那些波長比較長、變化比較緩慢的波動，他們可能是其他一些更短的波動的平均結(jié)果。短波意味著時空尺度小、移動變化快。因此，如果我們對預(yù)報的初值不加處理或處理不好，都會造成初始狀態(tài)的不平衡，由此產(chǎn)生快速移動的重力波，隨著時間積分的進行，重力波的發(fā)展掩蓋了預(yù)報中氣象信號的初始變率。而且Richardson的計算方案也沒有考慮應(yīng)滿足Courant,Friedricks,Lewy三人在1928提出的計算穩(wěn)定的條件，因此計算結(jié)果只能是導(dǎo)致“計算崩潰”。重力波的振幅虛假地增大，完全掩蓋了天氣波動的發(fā)展。觀測網(wǎng)的極端稀缺和計算量的巨大也是阻礙Richardson成功的兩大因素。以至于其后很長一段時間沒有人愿意冒險沿著Richardson的足跡繼續(xù)走下去。當(dāng)時一戰(zhàn)前，人們對大氣的了解主要還是依靠放置于地面上的觀測儀器所獲得的。無線電通信、無線電探測、航空飛行都還不發(fā)達。對高層大氣的了解基本是空白。只是依靠有限的高山站的數(shù)據(jù)推測得出。美國人曾經(jīng)使用風(fēng)箏攜帶儀器探測大氣。受資料和通信的限制，實時預(yù)報是不可能的，即使只是根據(jù)事后收集的數(shù)據(jù)作實驗計算，惡劣的初值和邊界條件就足以導(dǎo)致計算失敗。更何況Richardson當(dāng)年并沒有意識到上一條中提到的初值處理的重要性?？茖W(xué)思想的提出與最初的試驗VilhelmBjerknesIn1904,V.Bjerknesdeclaredtheproblemofprognosisastheintegrationoftheequationsofmotionfortheatmosphere...thatfuturestatesoftheatmospherearedictatedbyitsdetailedinitialstateandknownboundaryconditions.

L.F.RichardsonIn1922,L.F.Richardsonlaidoutanumericalmodelandperformedthefirstcomputations(byhand).CRNP歷史回顧“數(shù)值預(yù)報的復(fù)興”之路1950年Charney(美）等人借助于世界上第一臺計算機制作出世界上第一張北半球500毫巴24小時形勢預(yù)報，預(yù)報場與實況相關(guān)系數(shù)達0.75——第二個里程碑。從此數(shù)值預(yù)報走入實踐，并得到迅速發(fā)展。“WeatherForecastingbyCalculatorRunbyElectronicsisPredicted”

NewYorkTimes,11January1946,p.12.1946ENIACJulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949（ElectricalNumericalIntegratorAndCalculator）CRNP歷史回顧世界上第一張成功的數(shù)值天氣預(yù)報圖：500mb高度場和渦度場（變高變渦場）初始24hrs觀測24hrs變高、渦24hrs預(yù)報JulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949Charney的成功的經(jīng)驗：“人們不再試圖去處理大氣所有的復(fù)雜性，而滿足于較好地近似于實際大氣運動的簡化模式。他們通過僅僅一些被認為對大氣運動最有影響力的因子所構(gòu)成的模式開始，再逐步增加其他的因子，這樣不斷吸納新因子就可以將此項工作開展下去，避免由于同時將大量的不甚了解的因子同時引進而不可避免要遭遇的陷阱。”促進數(shù)值預(yù)報迅速發(fā)展的因素：探空技術(shù)及先進的探測技術(shù)的發(fā)展—為預(yù)報提供了必要食糧。通訊技術(shù)的發(fā)展—為業(yè)務(wù)預(yù)報資料的收集提供的必要的手段。動力氣象和天氣學(xué)的發(fā)展—為各種模式的發(fā)展提供了理論。計算機和計算技術(shù)的發(fā)展—是NWP實現(xiàn)的必備工具。近代數(shù)值預(yù)報的發(fā)展：預(yù)報范圍擴大：時間上：短期、中期、長期、氣候、古氣候恢復(fù)?？臻g上：局地、全球、空間大氣中的各種物理過程的描述更加細致。地形、輻射、行星邊界層、積云對流、海氣相互作用、微量氣體。計算理論不斷改進、資料處理更加完善。預(yù)報準確率不斷提高、產(chǎn)品更加豐富。因此，數(shù)值預(yù)報已成為現(xiàn)代天氣預(yù)報的基礎(chǔ)?！獢?shù)字化，定量客觀，已包括、可以包括現(xiàn)代天氣預(yù)報除觀測技術(shù)外的所有方面。資料處理、產(chǎn)品再生成與分析、可示化…基于物理規(guī)律的數(shù)值預(yù)報理論的發(fā)展，使人類可以利用計算機重現(xiàn)或預(yù)測發(fā)生在自然界的天氣變化過程。這是地球科學(xué)由“定性”走向“定量”的重大進步。數(shù)值預(yù)報理論和技術(shù)水平越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，數(shù)值預(yù)報技術(shù)已被認為是未來解決天氣預(yù)報、氣候預(yù)測等問題的根本科學(xué)途徑。數(shù)值天氣預(yù)報理論和應(yīng)用是過去一個多世紀以來地球科學(xué)的最重大進步和成就之一。數(shù)值模式的整體水平是國家氣象綜合水平的集中體現(xiàn)。早期的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報1954瑞典1958美國1959日本1962年美國建立了第一個業(yè)務(wù)的斜壓準地轉(zhuǎn)模式，英國在1965緊跟其后。1966年第一個全球原始方程模式在美國國家氣象中心運行70年代就出現(xiàn)了多個全球的、半球的和區(qū)域的各式各樣的原始方程模式了。70年代中期大氣環(huán)流模式已可用于長時間積分進行氣候模擬。Richardson夢想“數(shù)值預(yù)報工廠”。1975年歐洲科學(xué)技術(shù)合作計劃開始，其中為加強數(shù)值天氣預(yù)報很快成立了ECMWF。第一個實時中期預(yù)報于1979年6月完成，1979年8月1日開始業(yè)務(wù)中期天氣預(yù)報，標志著數(shù)值天氣預(yù)報走向成熟。數(shù)值模式的先驅(qū)們經(jīng)過了一個世紀賦有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新工作，奠定了現(xiàn)代數(shù)值模式發(fā)展的基礎(chǔ)。1904-1950s：數(shù)值模式的醞釀期1950s-1960s：數(shù)值模式架構(gòu)的完善期1960s-1980s：大氣環(huán)流模式的發(fā)展1980s-1990s：完善物理過程和資料同化1990s之后：耦合模式的發(fā)展科學(xué)家們的努力—未來的10年精細的短期預(yù)報。用風(fēng)暴尺度模式預(yù)報災(zāi)害性天氣。較完善的資料同化系統(tǒng)。可以最大限度地從觀測中提取有用信息，尤其是可以把衛(wèi)星雷達等非直接觀測的遙感信息加入到資料同化系統(tǒng)中。改進中期預(yù)報，尤其是通過使用集合預(yù)報方法改進中期預(yù)報的水平。對由集合預(yù)報指示的預(yù)報誤差快速增長區(qū)，增加觀測。發(fā)展更為完善的海-地-氣耦合模式。發(fā)展各種更高效的計算方法。為政府決策及公眾服務(wù)提供更多、更細致、更廣泛的預(yù)報參考。諸如空氣污染、公路狀況、河流洪水預(yù)報、污染物擴散、健康保險等。這里提到的許多方面都是屬于非傳統(tǒng)的氣象服務(wù)領(lǐng)域。而數(shù)值預(yù)報是我們可以依靠的最主要手段。24小時預(yù)報誤差相當(dāng)于大氣探空觀測誤差水！歐洲中心數(shù)值預(yù)報水平檢驗的逐年變化

5天的形勢預(yù)報準確率達85%以上！可用預(yù)報達一周！美國國家颶風(fēng)中心對大西洋颶風(fēng)路徑預(yù)報誤差122436487296120ForecastPeriod(hours)0100200300400500Error(nauticalmiles)1964-19731984-19931974-19831994-2002Isabel2003kmms1hr1d1m1y10yseasonalclimatesynoptic臨近預(yù)報短期中期長期季、年氣候typhoon現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報正向兩方面發(fā)展：一方面試圖解決大尺度、全球、季、氣候預(yù)報；另一方面，局地的、小尺度問題。典型天氣系統(tǒng)的時間和空間尺度我國主要發(fā)生的自然災(zāi)害：

—氣象是一種災(zāi)害或資源？臺風(fēng)梅雨、暴雨、洪水干旱寒潮沙塵暴全國氣象自然災(zāi)害損失平均占國家GDP的3~6%

。FlashFloodingJuly102004Beijingdowntown125mm/4hrnearCMA2012北京7.21暴雨2012年7月21日，北京城遭遇今年以來最大的雨，總體達到特大暴雨級別。一天內(nèi)，市氣象臺連發(fā)五個預(yù)警，暴雨級別最高上升到橙色。截至22日2時，全市平均降雨量164毫米，為61年以來最大。其中，最大降雨點房山區(qū)河北鎮(zhèn)達到460毫米。暴雨引發(fā)房山地區(qū)山洪暴發(fā)，拒馬河上游洪峰下泄。截至22日17時，暴雨洪澇災(zāi)害造成房山、通州、石景山等11區(qū)（縣）12.4萬人受災(zāi)，4.3萬人緊急轉(zhuǎn)移安置。全市受災(zāi)人口190萬人，其中房山區(qū)80萬人。23日，據(jù)初步統(tǒng)計，全市經(jīng)濟損失近百億元。據(jù)央視新聞報道，北京“7·21”特大自然災(zāi)害已造成77人遇難。數(shù)值天氣預(yù)報的先進性

預(yù)報是建立在一組對大氣運動規(guī)律了解了的數(shù)學(xué)物理方程組上。代表了定量可觀化的預(yù)報方向?？梢灶A(yù)報天氣的極值變化。目前氣象上幾種預(yù)報方法比較天氣學(xué)方法以天氣圖云圖、觀測為基礎(chǔ)，方法有變高平流等。物理機制清楚，主觀能動性強。統(tǒng)計預(yù)報以要素的時間、空間序列為基礎(chǔ)，用相關(guān)、回歸等統(tǒng)計方法作預(yù)報。定量客觀，靈活。數(shù)值預(yù)報要素，觀測，天氣圖等，代表大氣運動的動熱力學(xué)方程組，物理機制清楚，定量客觀，自動化。天氣尺度波動與高頻重力波的疊加

經(jīng)驗預(yù)報方法（天氣諺語，物候?qū)W）天上豆莢云,地上曬煞人日出日落胭脂紅,不雨就生風(fēng)螞蟻搬家,有雨要下天氣學(xué)方法（天氣圖預(yù)報方法）氣象雷達、衛(wèi)星觀測定性診斷分析方法此外，還有相似法、統(tǒng)計法等數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品是如何制作的？初始狀態(tài)未來狀態(tài)數(shù)值模式對演變規(guī)律的綜合理論認識外力和強迫數(shù)值預(yù)報流程圖氣象觀測資料資料同化數(shù)值預(yù)報模式模式后處理

數(shù)值預(yù)報釋用產(chǎn)品分發(fā)

中央計算機群系統(tǒng)通信及計算機傳輸網(wǎng)絡(luò)通信及計算機傳輸網(wǎng)絡(luò)資料同化逐時刻“推算”未來天氣演變數(shù)值天氣預(yù)報原理空間格點逐一格點求解一組數(shù)學(xué)方程數(shù)值模式天氣演變圖數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)包括的部分客觀分析和資料同化系統(tǒng)—主要解決從觀測資料到模式可用資料的數(shù)字轉(zhuǎn)換。初始化過程－去除資料中的干擾。數(shù)值模式—一組數(shù)理方程組(干模式）物理過程參數(shù)化—描述大氣中輻射、行星邊界層、積云對流、海氣相互作用、微量氣體等（濕模式）。數(shù)值產(chǎn)品的后處理—包括分析診斷再加工各類產(chǎn)品、圖形化顯示。數(shù)值預(yù)報分類不同對象的數(shù)值預(yù)報所使用的技術(shù)方案與預(yù)報產(chǎn)品都有很大區(qū)別，例如一般的數(shù)值天氣預(yù)報關(guān)注并預(yù)報具體的天氣過程與氣象要素的演變，而短期氣候模式預(yù)測則關(guān)注、預(yù)報月與季節(jié)尺度的冷暖、旱澇趨勢而不是具體的天氣過程。根據(jù)預(yù)報對象的時間尺度：短期數(shù)值預(yù)報中期數(shù)值預(yù)報氣候模式預(yù)測根據(jù)空間范圍和尺度：區(qū)域數(shù)值預(yù)報中尺度數(shù)值預(yù)報全球數(shù)值預(yù)報科研和業(yè)務(wù)模式，準業(yè)務(wù)模式天氣和氣候(大氣)模式研究的區(qū)別研究對象：單一大氣

耦合系統(tǒng)關(guān)注目標：瞬時結(jié)果

平均狀態(tài)關(guān)鍵變量：降水

溫度關(guān)注內(nèi)容：演變過程

能量收支

精度

穩(wěn)定和守恒水汽過程：凝結(jié)降水

云輻射強迫

CISK

云輻射反饋決定因素：初值

強迫和反饋同化物理和化學(xué)規(guī)律數(shù)值模式是天氣預(yù)報不可缺少的和氣候預(yù)測最具潛力的工具。數(shù)值模擬是加強對天氣和氣候系統(tǒng)演變規(guī)律認識所不可替代的工具，是提高理論認識的重要途徑。對天氣氣候演變規(guī)律的準確認識都會在數(shù)值模式中得到體現(xiàn)。數(shù)值模式的整體水平是一個氣象強國氣象綜合水平的集中體現(xiàn)。數(shù)值模式的重要地位數(shù)值模式要求有準確的和完整的初值推動了現(xiàn)代觀測技術(shù)的發(fā)展，也加速了高科技在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。對高分辨率數(shù)值模式的需求和數(shù)值模式計算的復(fù)雜性推動著超級計算機在氣象科學(xué)上的及時應(yīng)用。數(shù)值模式海量的數(shù)據(jù)處理和通訊推動著氣象信息技術(shù)的需求和發(fā)展。數(shù)值模式的不確定性分析是推動氣象科學(xué)研究和氣象觀測試驗和觀測布局的最重要環(huán)節(jié)。數(shù)值模式從單一大氣到包括人類活動在內(nèi)的多圈層耦合，既是數(shù)值模式的完善過程，也是氣象事業(yè)的發(fā)展需求數(shù)值模式豐富的診斷產(chǎn)品為拓展氣象服務(wù)起重要的牽引作用數(shù)值模式發(fā)展對氣象事業(yè)整體發(fā)展有重要推動作用第二講我國數(shù)值預(yù)報的發(fā)展

我國數(shù)值天氣預(yù)報的發(fā)展起步并不算晚。從上個世紀50年代開始，1955年圖解法－數(shù)值預(yù)報嘗試。顧震潮先生圖解法開拓我國數(shù)值天氣預(yù)報研究與應(yīng)用的老前輩早在1955年前，以顧震潮先生為代表老一輩科學(xué)家就開展了NWP的研究探索中科院大氣所：陳雄山，朱抱真，曾慶存，周曉平等中央氣象臺NWP小組：廖洞賢（組長），杜行遠（副組長），丑紀范，紀立人，黎光清等他們對我國數(shù)值預(yù)報的發(fā)展功不可沒！1959,500hPa高度場48hr預(yù)報,過濾模式。1965,向全國發(fā)布數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。1973.3,北半球3層原始方程模式—A模式。1982,北半球5層原始方程模式—B模式。1991,T42L9—三角截斷42個波，9層全球譜模式(由ECMWF引進).現(xiàn)在已更新到：T63L16(1995),T106L19(1997),T213L31(2002).T639(2008)從過濾模式到B模式，我們一直依靠自己的技術(shù)發(fā)展。但隨著改革開放，我們也歡迎引進國外的各項先進技術(shù)。中期數(shù)值預(yù)報模式（李澤椿、紀立人等）2層全球格點模式（曾慶存、梁信忠等）4層海洋環(huán)流模式（張學(xué)洪等）HLAFS模式（張玉玲、郭肖容等）p-混合坐標模式（錢永甫等）YH模式（顏宏等）TL系列模式（薛紀善等）REM-坐標（宇如聰、曾慶存等）海氣耦合模式（曾慶存、張學(xué)洪等）短期氣候預(yù)測動力模式系統(tǒng)（BCC，IAP等NIM（RAPAR-nim模式））耦合氣候系統(tǒng)模式（IAP等）

80年代開始建立數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)

以引進國外先進的模式與同化方案為主,建立業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)全球中期預(yù)模式的發(fā)展

(1)T42L9中期預(yù)報系統(tǒng)

(2)T63L16中期預(yù)報系統(tǒng)

(3)T106L19中期預(yù)報系統(tǒng)

(4)T213L31中期預(yù)報系統(tǒng)有限區(qū)數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展

(1)LAFS有限區(qū)分析和預(yù)報系統(tǒng)

(2)HLAFS有限區(qū)同化預(yù)報系統(tǒng)及改進近十多年數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的顯著發(fā)展

——基本數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)時間模式水平分辨率垂直分辨率分析同化計算機1991.6T42L9320KM9-

層OICYBER1992.3LAFS200KM15-

層OICYBER1995.6T63L16200KM16-

層OICRAY-C921995.5HLAFS110KM15-

層OICRAY-C921997.6T106L19120KM19-

層OICRAY-C921998.40.5HLAFS55KM20-

層OICRAY-C922002.9T213L3160KM31-

層OIIBM-SP2003.30.25HLAFS27KM20-

層OIIBM-SP2006.8GRAPES-Meso30km31-

z

層/35km3DVarSPCLUSTER16002006.12T213/SSI

60KM31-

層3DVarSPCLUSTER1600國家氣象中心數(shù)值預(yù)報最近10多年的發(fā)展時間業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)計算機1996.5區(qū)域臺風(fēng)路徑預(yù)報系統(tǒng)（MTTP）CRAY-C921998.x2001.9核污染擴散傳輸模式系統(tǒng)核污染擴散傳輸模式系統(tǒng)(HYSPLIT4)CRAY-C92DEC-ALPHA1998.62000.82004.6北京地區(qū)中尺度模式系統(tǒng)華北地區(qū)中尺度模式系統(tǒng)（HB-MM5）NMC中尺度模式系統(tǒng)SP-2神威-11999.x2004.9森林火險氣象條件預(yù)報(模型)森林火險氣象等級預(yù)報系統(tǒng)CRAY-C92IBM-SP2000.3中期集合預(yù)報系統(tǒng)T106L19/32成員神威-12001.6城市空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)(47個城市)神威-12004.3沙塵數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)DEC-ALPHA2004.6紫外線等級預(yù)報系統(tǒng)IBM-SP2004.6全球臺風(fēng)路徑預(yù)報系統(tǒng)IBM-SP2005.x海浪數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)IBM-SP2005年7月15日00時預(yù)報的05號臺風(fēng)海棠的850hpa風(fēng)場演變動畫圖0~24h24~48hProvidedbyZhouBinofNWPD/NMC中尺度模式的改進（27km*9km）2004年業(yè)務(wù)2005年4月17日20時起報——地面沙塵濃度藍色數(shù)字為地面實況15小時預(yù)報18小時預(yù)報39小時預(yù)報開縣高橋鎮(zhèn)有毒氣體擴散傳輸路徑（23日22時-26日20時)0-500米高度內(nèi)傳輸路徑1500米高度上傳輸路徑3000米高度上傳輸路徑開縣高橋鎮(zhèn)48小時內(nèi)有毒氣體影響到地面的區(qū)域分布（23日22時-25日20時)重慶井噴事故應(yīng)急響應(yīng)決策服務(wù)產(chǎn)品污染物擴散緊急響應(yīng)成就建立了較為完整的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報體系為業(yè)務(wù)預(yù)報提供了豐富的產(chǎn)品壯大了業(yè)務(wù)與研究隊伍不足:

模式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展升級慢計算機與觀測資料的改進沒有有效貢獻于預(yù)報的改進結(jié)果:預(yù)報質(zhì)量與先進水平及業(yè)務(wù)需要差距大挑戰(zhàn):

面臨不斷增長的服務(wù)需求的壓力與國際數(shù)值預(yù)報先進水平的差距可能加大國家對氣象現(xiàn)代化的投入期待回報數(shù)值預(yù)報發(fā)展回顧我國經(jīng)過近二十年多年的科技攻關(guān)，使得數(shù)值天氣預(yù)報也有了很大的發(fā)展，先后建立了從中尺度、短期天氣，到中期天氣、短期氣候的數(shù)值預(yù)報體系。以數(shù)值預(yù)報技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它方法建立起來的現(xiàn)代綜合氣象預(yù)報系統(tǒng)，已成為我國氣象工作者進行天氣氣候分析和預(yù)報的重要手段。但是，當(dāng)前我國的數(shù)值預(yù)報水平與發(fā)達國家的先進水平相比，仍有較大差距：已經(jīng)投入業(yè)務(wù)紫外線指數(shù)預(yù)報系統(tǒng)——2003年空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)——2001年森林火險氣象條件預(yù)報系統(tǒng)——1999年核污染擴散傳輸預(yù)報系統(tǒng)——1998年(2002年升級)

準業(yè)務(wù)沙塵暴預(yù)報系統(tǒng)——2004年臺風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)建立了臺風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)：◆

1996年5月區(qū)域臺風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)（MTTP）投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，有臺風(fēng)時每天兩次提供48小時預(yù)報。◆

2004年7月基于T213L31的全球臺風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)（GMTTP）進入準業(yè)務(wù)化運行，在臺風(fēng)季節(jié)每天運行4次，預(yù)報時效120小時，較大地提高了臺風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報水平；2006年1月GMTTP正式業(yè)務(wù)化?！舨捎贸跏紲u旋形成技術(shù)、重定位技術(shù)、和渦旋初始化技術(shù)，實現(xiàn)和建立了臺風(fēng)預(yù)報和基于SSI三維變分同化技術(shù)的全球中期預(yù)報一體化系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的路徑預(yù)報效果全面優(yōu)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)?！艚ǔ闪嘶谌蛑衅诩项A(yù)報系統(tǒng)的臺風(fēng)全球集合預(yù)報系統(tǒng)ForecastsofKatrinafor12UTC,Monday29AugustOperationalT511L6072hforecast36hforecastOperationalT511L60TestT799L91TestT799L91++++全球業(yè)務(wù)模式T213預(yù)報水平與技巧T213夏季500hPa環(huán)流形勢可用預(yù)報時效北半球5天；東亞4天比3年前延長了1天左右比EC模式短1.5天、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小時降水TS評分晴雨0.6(60%)；大雨0.1(10%)；暴雨0.05(5%)比3年前，晴雨提高了5%；大-暴雨提高了2%左右比日本模式，晴雨低1-3%；但大-暴雨略高與德國模式預(yù)報技巧基本相當(dāng)2002年3月20日08北京時沙塵天氣地面實況觀測——楊沙——沙塵暴——強沙塵暴沙塵模式預(yù)報的同一時刻的地面沙塵濃度（毫克/立方米）GRAPES_MESO模式（6km）預(yù)報降雨場：雨帶、強中心、出現(xiàn)時間均與實況很接近！TyphoonRananim(云娜)landedinZhejiangprovinceon12~13August2004,causedaheavyrain:observation(black)and24hrsforecastbyGRAPES。Rainy(red)areaandintensityingoodagreement(fromWangYu).全球中期業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報的演變國家氣象中心業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報演變(北半球500hPa高度場均方根誤差)0204060801008283848586878889909192939495969798990123456RMSE48h96h144h50rmsBT42L9T63L16T106L19T213L31

T213-D3T213-D5T213-D7

、、

分別T213L31（2003年）7月份3、5、7天預(yù)報500hPa距平相關(guān)系數(shù)

提高業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報水平，縮小差距滿足國家經(jīng)濟發(fā)展和社會進步對氣象服務(wù)的增長需求差距達15年以上！

模式

預(yù)報的主要側(cè)重點T213L31預(yù)報1-10天內(nèi)全球大尺度環(huán)流的演變、大范圍降水的發(fā)生發(fā)展等，如高空槽脊、副熱帶高壓，地面高、低氣壓和冷、暖鋒面，大范圍雨帶等0.25

HLAFS對中國區(qū)域的降水進行短期（60小時以內(nèi)）預(yù)報，如降水發(fā)生區(qū)域、降水強度、降水出現(xiàn)時段等臺風(fēng)模式（60/50km)專門針對發(fā)生在西太平洋-我國沿海的臺風(fēng)，進行其中心位置、移動路徑的中短期（96/48小時內(nèi)）預(yù)報中期T106集合預(yù)報對未來1-10天，特別是第5-10天期間、全球大尺度環(huán)流和大范圍降水發(fā)展演變的可能性（即概率）進行預(yù)報

中尺度(基于MM5,27-9km)預(yù)報京津及其它地區(qū)氣象要素短時間（48小時）的連續(xù)變化，如氣溫、風(fēng)、相對濕度、降水量等間隔3小時的預(yù)報類別

與數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的關(guān)系空氣質(zhì)量預(yù)報MM5模式提供邊界層內(nèi)格點的水平平均風(fēng)速、位勢高度、溫度、地面降水量，作為無源參數(shù)的箱格預(yù)報模式計算污染物濃度、污染指數(shù)所需的氣象參數(shù)森林火險氣象等級預(yù)報T106、HLAFS預(yù)報資料和實時觀測作為火險隱患區(qū)判別數(shù)學(xué)模型的輸入數(shù)據(jù)核污染擴散傳輸預(yù)報在T106模式中嵌套并同步運行擴散模式，預(yù)測核污染物擴散遷移路徑、濃度及干/濕總沉降紫外線指數(shù)預(yù)報在T106模式中接入大氣輻射傳輸模式，并同步運行，由T106模式為大氣輻射傳輸模式提供輸入資料沙塵暴預(yù)報（正在開發(fā)）以T213分析和預(yù)報作為沙塵擴散傳輸氣象背景條件的初值和區(qū)域大氣模式的側(cè)邊界資料。擁有獨立的起沙模式和沙塵擴散傳輸模式T213數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程通信要素庫Alpha場庫IBMSP并行后處理預(yù)處理并行全球預(yù)報并行中期全球預(yù)報T213L3110天預(yù)報集合預(yù)報T106L1932個樣本神威中尺度預(yù)報6公里神威并行全球分析存檔格點場圖形顯示檢驗評價中央各部委電視IBMSP6節(jié)點/48CPU區(qū)域分析預(yù)報0.25°HLAFSIBMSP區(qū)域臺風(fēng)預(yù)報50kmMTTPC92/神威CRAY-C92（T106L19場庫）初估場的生成（9:30）ALPHA機（要素庫）觀測資料的提取處理（10:30）河南省氣象臺NMC天氣預(yù)報室北京市氣象臺河北省氣象臺天津市氣象臺華北地區(qū)中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)流程圖山東省氣象臺山西省氣象臺內(nèi)蒙區(qū)氣象臺局域網(wǎng)遠程網(wǎng)神威（SW-I）分析、初值的形成（10：45）神威（SW-I）Nudging同化、預(yù)報（11：00）神威（SW-I）后處理插值、產(chǎn)品的生成（2：20）9210衛(wèi)星通信NMC數(shù)控室模式降水預(yù)報水平與技巧T213夏季/冬季500hPa環(huán)流形勢可用預(yù)報時效北半球5天/6-6.5天；東亞4天/5-5.5天比T106L19延長了1天左右比EC模式短1.5天左右、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小時降水TS評分晴雨0.6(60%)；大雨0.1(10%)；暴雨0.05(5%)比3年前，晴雨提高了5%；大-暴雨提高了2%左右比日本模式，晴雨低1-3%；但大-暴雨略高與德國模式預(yù)報技巧基本相當(dāng)拓展的環(huán)境氣象模式預(yù)報系統(tǒng)已經(jīng)投入業(yè)務(wù)紫外線指數(shù)預(yù)報系統(tǒng)——2003年空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)——2001年森林火險氣象條件預(yù)報系統(tǒng)——1999年核污染擴散傳輸預(yù)報系統(tǒng)——1998年(2002年升級)實時預(yù)報或準業(yè)務(wù)沙塵暴預(yù)報系統(tǒng)環(huán)境氣象模式預(yù)報類別

與主要數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的關(guān)系城市空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)（CAPPS)MM5模式提供邊界層內(nèi)格點的水平平均風(fēng)速、位勢高度、溫度、地面降水量，作為無源參數(shù)的箱格預(yù)報模式計算污染物濃度、污染指數(shù)所需的氣象參數(shù)紫外線指數(shù)預(yù)報系統(tǒng)輻射傳輸模式與T213模式耦合，T213模式積分過程中的一些中間量作為輻射傳輸模式的輸入值，計算UV輻射通量，即預(yù)報UV輻射強度核污染擴散傳輸預(yù)報T213預(yù)報結(jié)果作為污染擴散傳輸模式（NOAA的HYSPLIT4）環(huán)境場輸入資料，預(yù)測核污染物擴散遷移路徑、濃度及干/濕總沉降沙塵暴數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)與T213模式單向非同步嵌套，主要預(yù)測沙塵含量、垂直沙通量、沙塵干/濕沉降等二、沙塵暴數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)（在引進邵亞平博士的沙塵模式基礎(chǔ)上開發(fā)建立）根據(jù)風(fēng)蝕現(xiàn)象發(fā)生的物理機制，模擬風(fēng)蝕現(xiàn)象的各個部分，包括起沙、輸送、沉降集成的沙塵暴數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)包括四個部分大氣預(yù)報模式、風(fēng)蝕方案、陸面方案地理信息及遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集目前可以預(yù)報

沙塵濃度(

gm-3)

起沙量(kgkm-2d-1)

沉降量(kgkm-2d-1)

摩擦速度(ms-1)

臨界摩擦速度(ms-1)etc.國家氣象中心臺風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)T639-新一代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)國家氣象中心新一代全球中期數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)TL639L60于2008年6月1日正式業(yè)務(wù)運行，其產(chǎn)品通過9210下發(fā)。T639模式本身能提供0.28125度的產(chǎn)品，但在9210下發(fā)的產(chǎn)品經(jīng)過稀疏化處理，分辨率為1度。T639模式基本特點T213L31TL639L60可分辨的最大水平波數(shù)213639垂直層次3160模式層頂10hpa0.1hpa格點空間定義二次高斯格點線性高斯格點格點空間640

3201280

640水平分辨率60公里30公里報類\時次00061218地面觀測資料7315728575777008船舶和浮標資料873910614852010770探空觀測資料6181759516測風(fēng)觀測資料35413632295飛機觀測資料11943129231235811536衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)1073010861970813106ATOVS觀測資料14676577152347091327654814573241FY2C云導(dǎo)風(fēng)1053611245113221316各種觀測資料站點數(shù)（2007.4.13)

ATOVS資料占到全球資料同化中的90％以上黑體：業(yè)務(wù)最優(yōu)插值同化分析所檢索到的資料，全部：準業(yè)務(wù)三維變分資料同化系統(tǒng)所檢索到的資料中國120中國120全球資料同化系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)插值向三維變分同化系統(tǒng)的升級模式框架升級及參數(shù)化改進模式框架升級線性高斯格點的實現(xiàn)半拉格朗日積分方案的改進引入Rayleigh摩擦增加垂直分辨率，模式頂由10hPa提高到0.1hPa物理過程優(yōu)化云和對流參數(shù)化下墊面資料的升級和合理初始化方法T639模式動力框架的改進：減少計算量與存儲空間T213L31T639L60（二次規(guī)約高斯格點，原有兩個時間層的半拉格朗日積分方案）格點空間水平三倍，垂直兩倍，時間步長縮短三倍（從900秒到300秒）計算量增加：3323=54倍T213L31TL639L60（線性規(guī)約高斯格點，穩(wěn)定外插兩個時間層的半拉格朗日積分方案）格點空間水平兩倍，垂直兩倍，時間步長縮短3/2倍（從900秒到600秒）計算量增加：

2223/2=12倍減少計算量4.5倍，存儲量減少2.25倍weightfunctionsoftheAMSU-A(middle)andAMSU-B(right)channels.

L31L60GSIT213L31top模式頂層升級到0.1百帕后，更好的同化AMSU-A12,13通道平流層增加14層邊界層增加多層T639模式物理過程的改進T213的問題：預(yù)報時效短，中后期副高偏強，中國區(qū)近地面要素預(yù)報效果差，中雨以上降水預(yù)報偏大，空報多，南半球預(yù)報效果很不好，鋒面等預(yù)報偏差大，衛(wèi)星資料只占10%，物理過程方案有待改進。T639模式物理過程的改進T639的改進：T639模式物理過程主要是針對T213模式使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行改進得來。T213模式降水預(yù)報偏差偏大空報多，主要原因是小于模式分辨率的次網(wǎng)格對流參數(shù)化過程不夠活躍，對大氣中不穩(wěn)定的消除不夠有效，有太多格點尺度對流發(fā)生。另外，隨著模式分辨率提高，需要保持模式可分辨對流和次網(wǎng)格參數(shù)化對流之間的合理平衡。改進方案主要增加了次網(wǎng)格的對流活動，對流強度增加了，因此對流降水占總降水的比例也增加了，從而格點尺度降水占總降水的比例減少了，從而使得降水預(yù)報偏差偏大空報多的問題有所克服。T639模式物理過程的改進還包括云方案改進，與T639模式匹配的下墊面資料處理系統(tǒng)和合理的初始化方案等方面。2006年7月至2008年5月T639與T213模式500hPa高度預(yù)報統(tǒng)計檢驗

HigherhorizontalandverticalresolutionAnomalycorrelationof500hPaheightforEuropeT511L60T799L91DayMeanover148casesfrom1August2004南半球距平相關(guān)系數(shù)形勢場檢驗

500hpa高度場均方根誤差：除了印度地區(qū)外，全球其它27個分區(qū)的均方根誤差都比T213模式有不同程度的減小。印度地區(qū)通過系統(tǒng)性偏差訂正后效果顯著改善，形勢場檢驗

500hpa高度場距平相關(guān)系數(shù)方面，赤道地區(qū)、北半球低緯帶和印度地區(qū)有些預(yù)報時效的表現(xiàn)不如T213，主要是模式系統(tǒng)性偏差太大，通過偏差訂正效果顯著改善，好于T213。其它分區(qū)的表現(xiàn)都比T213好：東亞地區(qū)有較小的改善；中國區(qū)域和北半球的可用天數(shù)提高0.8天；中國西北部提高1.3天；中國西南部地區(qū)提高4.4天；中國東部地區(qū)提高1天；南半球提高1.4天。850hpa溫度場T639模式28個分區(qū)的均方根誤差都比T213有不同程度的減?。黄渲?，南半球地區(qū)、中國南部地區(qū)、中國東北部地區(qū)、中國西北部地區(qū)、改善幅度較大。850風(fēng)場

T639模式改善效果一般：東亞地區(qū)比T213均方根誤差稍大；北半球相差不大；中國西南部地區(qū)有比較明顯的減?。豢傮w來說，中高緯度地區(qū)均方根誤差是減小的，低緯地區(qū)的改進效果不明顯，均方根誤差要比T213大。

對于高空東移西風(fēng)槽，T639模式具有較好的預(yù)報性能。通常情況下，高空槽系統(tǒng)越強，T639模式的預(yù)報效果越好。如下圖中2008年8月27日至31日一次東移西風(fēng)槽，T639模式的72h時效預(yù)報也非常穩(wěn)定，且與實況一致。

對于北方東移冷渦，T639模式24h、48h時效的渦中心及切變位置預(yù)報較為可靠，而72h時效在系統(tǒng)較弱時預(yù)報稍差，通常系統(tǒng)預(yù)報的移動偏慢。

對于東出高原槽，下圖個例分析顯示T639模式24h預(yù)報效果較理想，而48h和72h時效預(yù)報隨系統(tǒng)的東移而逐漸偏慢（尤其是72h時效預(yù)報）。另外值得提出的是，T639模式對于高原低值系統(tǒng)或高原槽具有較好的辨析度，即很少出現(xiàn)漏報的情況。

對于東移西南低渦系統(tǒng)，如下圖中2008年8月28日至31日的一次過程，T639模式在開始系統(tǒng)較弱時，各時效預(yù)報都把低渦中心報得偏南，而其后隨著東移加強，24h和48h預(yù)報與實況接近，但72h預(yù)報偏差較大，將系統(tǒng)報得偏快或偏北。對2008年7月21日至24日的另一次東移西南低渦檢驗，T639模式也表現(xiàn)出類似的偏差。

對于陸地上減弱臺風(fēng)低壓的預(yù)報，T639模式的24h和48h時效預(yù)報效果較好，72h時效稍差，如下圖中8月1日20時的72h預(yù)報將“鳳凰”減弱低壓中心報得過于偏南。

對于江南和華南的低空急流，如下圖中7月20日的例子，T639模式預(yù)報急流范圍稍小于零場分析，但急流西邊界的位置預(yù)報較為穩(wěn)定。另外值得提出的是，T639模式對急流強度和范圍的零場分析和預(yù)報通常比EC模式更接近實際探空觀測，EC模式的分析和預(yù)報都偏弱一些。T639模式對降水預(yù)報的性能T639模式36h時效預(yù)報2008年9月9日08時～9月10日08時日累積降水（mm）。圖中填充等值線為預(yù)報日累積降水量，圓點表示對應(yīng)時段站點的觀測降水量，其顏色表示降水量級。

在降水量級的預(yù)報上，T639模式在很多情況下優(yōu)于日本模式。通常日本模式預(yù)報降水量級偏少，而T639模式更接近于實況。在實際業(yè)務(wù)中，T639模式降水預(yù)報的最主要偏差來自于天氣系統(tǒng)的偏差，因此經(jīng)過降水區(qū)（帶）位置訂正后的T639模式降水預(yù)報有較高的應(yīng)用價值。

T639模式的預(yù)報特長

（1）T639模式的時間和空間分辨率要高于目前業(yè)務(wù)用的EC和日本模式。在時間分辨率方面，T639模式48h時效內(nèi)達到3h的輸出間隔，有利于預(yù)報員做更精細化的預(yù)報服務(wù)。在空間分辨率方面，現(xiàn)有下發(fā)的MICAPS格式數(shù)據(jù)的分辨率是1°×1°，在下發(fā)條件許可的情況下，可以提供原始分辨率0.28125°×0.28125°產(chǎn)品，對于天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及降水的分布有更好的表現(xiàn)。（2）在降水量級的預(yù)報上，T639模式在很多情況下優(yōu)于日本模式。通常日本模式預(yù)報降水量級偏少，而T639模式更接近于實況。在實際業(yè)務(wù)中，T639模式降水預(yù)報的最主要偏差來自于天氣系統(tǒng)的偏差，因此經(jīng)過降水區(qū)（帶）位置訂正后的T639模式降水預(yù)報有較高的應(yīng)用價值。（3）T639模式對中國大陸區(qū)域的觀測資料使用較好，對于某些天氣系統(tǒng)的表現(xiàn)更接近實況。如對于西伸到大陸上空的副高588線，T639模式的零場分析和24h預(yù)報比EC模式更接近預(yù)報員實況分析，EC模式往往會把副高分析和預(yù)報得偏弱。此外，T639還會表現(xiàn)出一些EC模式?jīng)]有分析出來的低渦或切變系統(tǒng)。

T639模式產(chǎn)品

包括大氣基本要素量、地面要素量，以及通過診斷程序生成的診斷量。包括高空17層9個要素，地面14個要素，7診斷量后處理輸出要素產(chǎn)品。產(chǎn)品包括MICAPS產(chǎn)品、GRADS產(chǎn)品，GRIB格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品、圖形化產(chǎn)品。集合預(yù)報集合預(yù)報思想首先由Epstein(1969)和Leith(1974)提出，經(jīng)歷了70-80年代的研究探索和數(shù)值試驗后，至90年代初，美國NCEP和ECMWF于1992年12月先后建立了各自的集合數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng),這標志著集合數(shù)值預(yù)報已進入了實際業(yè)務(wù)應(yīng)用的成熟階段?，F(xiàn)在，在美國、歐洲等發(fā)達國家的數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)體系中，集合預(yù)報已占據(jù)了非常重要的位置（如ECMWF的集合預(yù)報產(chǎn)品已占據(jù)所有數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的60%以上），而且集合預(yù)報產(chǎn)品已在氣象臺站得到了廣泛地應(yīng)用。國家氣象中心集合預(yù)報系統(tǒng)1998年6月建成，1999年2月開始業(yè)務(wù)試驗。2001年三月業(yè)務(wù)運行。

初始資料誤差，模式誤差，以及大氣系統(tǒng)本身的混沌特性使數(shù)值預(yù)報存在不確定性，也就是說，確定性的唯一解只是其中一種可能。預(yù)報問題就由原來的確定性預(yù)報轉(zhuǎn)變成概率預(yù)報，成為對大氣未來狀態(tài)的概率密度分布進行估計的問題了。要找出所有可能的預(yù)報結(jié)果，由于大氣運動的真實狀態(tài)只能近似知道，因此天氣預(yù)報只有通過誤差的概率分布函數(shù)PDF的時間演變才能得到完整的描述。差之毫厘，謬之千里相空間中的概率密度函數(shù)-嚴格求解不可能，集合預(yù)報技術(shù)成為一個變通辦法左側(cè)小圈代表初始條件的不確定性，線條代表不同成員的預(yù)報軌跡。右側(cè)大橢圓代表預(yù)報值可能出現(xiàn)的范圍。對于較短預(yù)報時效來說，預(yù)報可以認為是確定性的，積分若干天后，大氣狀態(tài)認為是隨機性的。集合預(yù)報產(chǎn)品大致分三類：1、集合平均或集合中值預(yù)報，是集合預(yù)報最初級的應(yīng)用。一般可能比單個預(yù)報準確，但對大氣不穩(wěn)定而可能出現(xiàn)的分叉且多平衡態(tài)無能為力。2、大氣預(yù)報的可信度預(yù)報，通常用集合預(yù)報成員間的發(fā)散程度來度量。如面條圖。3、概率預(yù)報，概率分布包含了該集合預(yù)報系統(tǒng)所能提供的所有信息，最大程度地包含了實際大氣可能發(fā)生的各種情況。“面條”圖a）5天預(yù)報（結(jié)束時間1995年11月15日）；b）3天預(yù)報（結(jié)束時間1995年10月21日）。等高線：5640米。主要數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)體系

——

中期集合預(yù)報系統(tǒng)T213L31/15成員

集合數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)建立了多套集合數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)：◆

1996年5月建立了基于T63L16模式的全球中期集合預(yù)報系統(tǒng)（采用時間滯后平均法（LAF）生成擾動初值）；◆

1999年建立了32個成員的基于T106L19模式的全球中期集合預(yù)報系統(tǒng)（采用奇異向量法（SVs）生成擾動初值），并于2000年3月投入業(yè)務(wù)應(yīng)用；◆

2006年12月15個成員的新一代全球中期T213L31集合數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)（采用增長模繁殖法（BGM）生成擾動初值）實現(xiàn)了準業(yè)務(wù)化運行。◆已研發(fā)基于WRF的區(qū)域短期集合數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，提供奧運氣象服務(wù)。集合預(yù)報產(chǎn)品流程圖全球面條圖全球區(qū)域一體化的集合預(yù)報產(chǎn)品加工和圖形顯示系統(tǒng)譜格變化、高斯格點轉(zhuǎn)化GRIB格式側(cè)重強對流指數(shù)產(chǎn)品全球模式輸出量：譜系數(shù)、規(guī)約高斯格點場區(qū)域區(qū)域模式輸出量：標準經(jīng)緯格點場平均值+發(fā)散度圖概率圖煙羽圖T213L31增長模繁殖法擾動初值CntlRunIC1+IC1-IC2+IC2-運行所有樣本集合預(yù)報產(chǎn)品加工SSI+ATOVSObsEPS舊業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級系統(tǒng)模式T106L19T213L31水平分辨率1.1250.5625垂直分辨率1931分析系統(tǒng)3DOI3DSSI+ATOVS擾動方法SV’sBGM擾動區(qū)域GlobalGlobal成員數(shù)3315產(chǎn)品較少較多檢驗方法較單一較為全面T213集合預(yù)報系統(tǒng)簡介T213集合預(yù)報信息提煉及產(chǎn)品的開發(fā)開發(fā)了多種概率預(yù)報產(chǎn)品。類型：集合平均、離散度、面條圖要素：風(fēng)、溫、濕、位勢高度、降水多層次集合預(yù)報產(chǎn)品每天送往氣象臺和NMC網(wǎng)站現(xiàn)全球集合預(yù)報的產(chǎn)品參加國際TIGGE計劃的資料交換。NMC－T213全球集合預(yù)報，intial:080805128月8日00:00Z—9日00:00Z24h累積降水>=1mm概率圖北京1mm降水概率>90%intial:0808051284h(8月8日00：00Z）

00/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/11NMC發(fā)展計劃繼續(xù)提高現(xiàn)有模式的預(yù)報水平。在未來15年內(nèi)發(fā)展自己的數(shù)值模式體系。為此組建數(shù)值預(yù)報創(chuàng)新基地。CMA未來發(fā)展計劃從區(qū)域到氣候多尺度預(yù)報服務(wù)擴展氣象服務(wù)領(lǐng)域，從傳統(tǒng)領(lǐng)域向環(huán)境、地球科學(xué)領(lǐng)域拓展。建立以數(shù)值預(yù)報為基礎(chǔ)的氣象業(yè)務(wù)體系。發(fā)展自主的數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。中國新一代數(shù)值預(yù)報模式發(fā)展計劃建立一套基于統(tǒng)一模式技術(shù)上的格點模式Global/RegionalAssimilationandPrEdiction

System—GRAPES3或4維變分數(shù)據(jù)分析同化系統(tǒng)(3/4DVAR)我國未來數(shù)值預(yù)報的研究幾個熱點領(lǐng)域遙感資料同化可能吸引更多的研究，云參數(shù)、地面參數(shù)的同化研究將增加集合預(yù)報，特別是中尺度集合預(yù)報、集合技術(shù)在資料同化中的應(yīng)用將成為研究熱點；不同尺度多圈層耦合模式的發(fā)展；對模式的計算方法會有更深入的研究；戰(zhàn)略性決定中國氣象局于2000年做出了一個戰(zhàn)略性決定：組建數(shù)值預(yù)報創(chuàng)新基地，集中人力、物力、財力，自主研究發(fā)展我國的數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù)，鍛煉培養(yǎng)隊伍；該項工作同時得到了科技部十五、十一五攻關(guān)和973項目的支持：包括中國氣象局（業(yè)務(wù)與研究部門）、中科院大氣所、多所大學(xué)的骨干力量支持。研究成果：開發(fā)建立了我國新一代全球/區(qū)域一體化多尺度通用數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES模式24小時預(yù)報(km)48小時預(yù)報(km)日本業(yè)務(wù)模式123.4152.8國家中心業(yè)務(wù)模式154.6203.8GRAPES_TCM（上海）120.9182.8上海業(yè)務(wù)模式154.6210.0廣州業(yè)務(wù)模式141.5170.0多模式對海棠臺風(fēng)路徑預(yù)報的距離誤差比較此表由上海臺風(fēng)所提供24小時預(yù)報，GRAPES_TCM的誤差最小，48小時預(yù)報，其誤差位于第三位。700hPa水汽圖（全球GRAPES新模式預(yù)報2005-Matsa臺風(fēng)的6天演變過程）集合預(yù)報GRAPES的應(yīng)用大氣科學(xué)研究沙塵暴預(yù)報實時業(yè)務(wù)預(yù)報觀測試驗?zāi)M熱帶氣旋預(yù)報閃電模擬教學(xué)培訓(xùn)氣候模擬GRAPES“家族”GRAPES_Meso中尺度預(yù)報模式GRAPES_Global全球預(yù)報模式GRAPES_TCM臺風(fēng)預(yù)報模式GRAPES_TMM熱帶氣象預(yù)報模式GRAPES_DAM沙塵氣溶膠預(yù)報模式GRAPES_SWIFT臨近預(yù)報模式GRAPES_MEPS中尺度集合預(yù)報模式GRAPES_LM雷電研究模式GRAPES未來3~5年發(fā)展計劃表模式/同化200720082010東亞區(qū)域模式

15km/33層

10km/40層5km/70層全球模式

50km/31層

40km/61層20km/81層區(qū)域資料同化3DVAR50km/17層

4DVAR60km/40層4DVAR/EnKF30km/70層全球資料同化3DVAR110km/17層

3DVAR40km/61層4DVAR80km/81層注:發(fā)展步伐會根據(jù)實際情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整面向超級城市群的精細預(yù)報示范試驗系統(tǒng)

Grey,blue:Qcqrandaccum.rainfallsYellow:115.5°Ev,wstreamGreen:32°Nu;wvectorOrange:1000hPau;vstreamVisualizing廣州城市熱島效應(yīng)模擬城市熱島高溫區(qū)和水平風(fēng)場城市熱島引起的垂直輸送GRAPES-1km精細化模式模擬例子之一(廣州熱帶所)北京2008奧運會體育場館氣流模擬GRAPES-1km精細化模式模擬例子之二(北京城市所)N北京金融街區(qū)風(fēng)場模擬GRAPES-1km精細化模式模擬應(yīng)用例子之三(北京城市所)我國未來數(shù)值預(yù)報的研究幾個熱點領(lǐng)域遙感資料同化可能吸引更多的研究，云參數(shù)、地面參數(shù)的同化的研究將增加集合預(yù)報，特別是中尺度集合預(yù)報、集合技術(shù)在資料同化中的應(yīng)用將成為研究熱點；不同尺度多圈層耦合模式的發(fā)展；對模式的計算方法會有更深入的研究；第三講國外數(shù)值預(yù)報的發(fā)展

國外數(shù)值預(yù)報的發(fā)展，從上個世紀50年代，以計算機的出現(xiàn)，Charney等人的成功試驗開始，1956年，瑞典首先開始數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)試驗。1958年，美國也開始數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)預(yù)報。1959年，德國試驗原始方程模式。1962年，出現(xiàn)了3層準無輻散模式。1966年，美國開始原始方程模式業(yè)務(wù)預(yù)報。1978年，歐洲中心（ECMWF）成立，引進GFDL格點模式，1983年建立起自己的譜模式系統(tǒng)。1954年，Silberman(美)提出了譜模式的概念。1966年，快速FFT實現(xiàn)。使譜模式成為可能。1970年，Machenhauer提出譜轉(zhuǎn)換技術(shù)。解決了譜模式最后一個困難。1980年，原始方程譜模式開始模式業(yè)務(wù)運行。譜方法——淺水波模式ECMWF（1）

全球譜模式

T63L16（1983年）—>T106L19（1986年）—>T213L31（1991年）—>T319L31（1998年）—>T319L50（1999年）—>T511L60（2001年）可用預(yù)報時效7-7.5天

分析同化

OI分析、間歇同化（1987年）—>3DVAR同化（1996年）—>4DVAR同化（1998年）

NOAA/NESDIS的TOVSradiance（cloud-clearradiance)

資料用于分析同化業(yè)務(wù)ECMWF（2）

集合預(yù)報（EPS）業(yè)務(wù)

奇異向量方法生成初值，T159L31模式，50個樣本EPS計劃試驗Multi-model的集合(用EC、英國和德國模式)試驗Perturbedmodelphysics的集合增加集合成員—

60個，增加模式分辨率向量并行機（1996—）FUJITSU-VPP700（116個處理機,2.2Gflops/processure)VPP5000已安裝（38個處理機,9.6Gflops/processure)

美國（1）

全球同化預(yù)報系統(tǒng)（MRF）

業(yè)務(wù)模式T126L28—T170L42(2000.1)（80KM）

—T254L42(2002.7)

可用預(yù)報時效6-7天分析同化方案

SSI（3DVAR）

TOVS（rawradiance)資料

GOES第8、9通道的可降水量資料近一兩年主要工作

改進模式初值、物理過程進行模式程序的分布式并行

美國（2）

中尺度區(qū)域模式系統(tǒng)（ETA）

格點模式（32KM/45層，10KM/45層）同化分析方案

3DVAR同化

TOVS厚度資料、GOES第8、9通道的可降水量云導(dǎo)風(fēng)資料、SSM/I地面風(fēng)資料近一兩年主要工作

改進模式初值、動力和物理過程（階梯地形、時間插分、土壤過程、云物理等）以及ETA模式的并行化

美國（3）

集合預(yù)報

中期17個成員，增長模繁殖法，MRF模式短期25個成員，增長模繁殖法，ETA模式（80KM）對集合預(yù)報產(chǎn)品進行統(tǒng)計釋用（MOS法，作極端溫度預(yù)報）開發(fā)工作

NCEP、NCAR、FSL、CAPS聯(lián)合發(fā)展“下一代風(fēng)暴尺度的中尺度模式系統(tǒng)”（WRF，WeatherResearchandForecastingmodel)

正在發(fā)展4DVAR同化方案日本（1）

全球譜模式（GSM）T213L30（96年業(yè)務(wù)），3DVAR同化（99年業(yè)務(wù)）正在研究試驗GPS（可降水）資料的同化遠東區(qū)域譜模式ASM（20KM，36層）在ASM基礎(chǔ)上形成了一個10KM分辨率的VeryShort-RangeForecastSystem，在06和18點作預(yù)報正在發(fā)展一個新的區(qū)域模式（非靜力）日本（2）

臺風(fēng)模式（TYM）40KM，15層（可報雙臺風(fēng)）非對稱臺風(fēng)BOGUS

中期集合預(yù)報（EPS）試驗17個成員，增長模繁殖法，T63L30模式

NWP產(chǎn)品釋用卡門濾波法對NWP地面風(fēng)向、風(fēng)速預(yù)報進行釋用（制作842個觀測站預(yù)報）英國

統(tǒng)一模式（格點）

全球0.55°lat0.833°lon,=30

有限區(qū)

0.442°lat

0.442

°lon,=30

中尺度0.15°lat

0.15

°lon,=383DVAR同化（98年下半年業(yè)務(wù)）

使用TOVS溫度和水汽資料正在發(fā)展非靜力版本的格點模式（NewDynamics）

加拿大（1）

全球環(huán)境多尺度模式（GEM，格點模式）

T199L21——0.9°均勻經(jīng)緯格點、28層

3DVAR同化區(qū)域模式（GEM用于有限區(qū)域）

變網(wǎng)格中心區(qū)0.33°（35KM），28層

3DVAR同化非靜力版本正在試驗中-尺度（GEM用于局部區(qū)域）

0.033°-0.0033°（3.6KM-360M)

加拿大（2）

集合預(yù)報（EPS）

MonteCarlo方法生成初值（16-32個樣本）

T95L21模式

UMOS（UpdateableMOS)

用新舊資料混合來建模，制作極端溫度預(yù)報研究開發(fā)

SSM/I可降水量、NOAA/NESDIS的TOVS（cloud-clearradi