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摘 要：本文通过分析数值天气预报的应用条件及计算方法，并对求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法进行了论述。
关键词：天气分析预报、数值预报 技术开发 应用研究
中图分类号：P456.7
从20世纪80年代起，全世界已有 30多个国家和地区把数值天气预报作为制作日常预报的主要方法。就预报项目来说，已包含有气压、温度、湿度、风、云和降水量；就范围来说，已从对流层有限区发展到包括平流层的半球和全球范围；就时效来说，除1～2天短期预报外，有的国家已开展了一个星期左右的中期预报。随着应用的日益广泛，进一步加强数值天气预报的研究，对未来的气象事业将具有重要意义。
1 应用数值天气预报的条件
1.1要建立一个较好的反映预报时段的（短期＼中期）数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法。
1.2由于数值天气预报要利用各种手段（常规的观测，雷达观测，船舶观测，卫星观测等）获取气象资料，因此，必须恰当地作气象资料的调整、处理和客观分析。
1.3由于数值天气预报的计算数据非常之多，很难用手工或小型计算机去完成，因此，必须要有大型的计算机。
2 数值天气预报数值的取得
2.1根据大气实际情况，把全球（或某一区域）非均匀分布的定时气象观测资料（如气压、风力、风向、温度、湿度等）在很短的时间内收集起来，把这些非均匀分布的气象资料插值到均匀分布的一个个格点上，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，形成数值天气预报模式的初值。
2.2和一般用天气学方法、并结合经验制作出来的天气预报不同，这种预报是定量和客观的预报。预报所用或所根据的方程组和大气动力学中所用的方程组相同，即由连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和3个运动方程（见大气动力方程）所构成的方程组。
2.3方程组是闭合的，方程组中含有7个预报量（速度沿x，y，z三个方向的分量u，v，w和温度T，气压p，空气密度ρ以及比湿q）和7个预报方程。方程组中的粘性力F，非绝热加热量Q 和水汽量S，一般都当作时间、空间和这7个预报量的函数，这样，预报量的数目和方程的数目相同。
2.4根据大气的初始状态，在巨型计算机上通过大气方程组（即数值预报模式）一个格点、一个格点，一个时间段、一个时间段地进行计算。在整个预报时段的计算结束后，模式将预报出全球（或某一区域）每个格点的气象要素值（如气压、风力、风向、温度、湿度、高度、云、雾、降雨量等），即预报出未来的天气。气象台的预报员将根据数值天气预报计算出的数值，进行再进一步的未来天气情况的判断。而经过最终确定的未来天气情况将以人们日常所见到的天气预报的形式发布给公众。
3 数值天气预报在我国的应用
中国于1955年开始摸索作数值天气预报，1959年开始在计算机上进行数值天气预报，1969年国家气象局正式发布短期数值天气预报，以后逐步改进数值预报模式并实现了资料输入、填图、分析和预报输出的自动化。目前，除完成日常的短期数值天气预报业务外，正准备作出中期数值天气预报。1955年用图解法两层模式作出了500百帕24小时的预报。1959年底，开始用电子计算机制作亚欧范围和北半球范围的正压、斜压过滤模式的高度场数值预报。1965年春，国家气象局开始发布正压500百帕预报。1969年，资料处理、客观分析和预报的自动化方案初步试验成功。1973年，开始用原始方程三层模式制作预报。到80年代初，从接收资料到填图、分析和输出预报图，实现了自动化，预报模式发展到多层原始方程模式，其中考虑了地形和非绝热加热等物理过程的影响。随着科学的发展与进步，天气预报的准确率是有所提升的。统计表明，目前，我国1-3 天的天气预报水平处于世界先进行列，24 小时的晴雨预报准确率也达到了83%的高点。
4 数值天气预报应用中存在问题
4.1次网格尺度的物理过程的引入。由于大气是一种具有连续运动尺度谱的连续介质，故不管模式的分辨率如何高，总有一些接近于或小于网格距尺度的运动（见数值天气预报常用计算方法），无法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为次网格过程。尽管用这种方法已取得了相当好的效果，但仍有许多未解决的问题。如参数的数值缺乏客观的确定方法，模式对参数化的差异过于敏感等。
4.2非线性方程的数值解。虽然在适当条件下，可以证明某些线性微分方程组的稳定格式的数值解，能够近似表示相应的微分方程组的真解，但对于非线性微分方程来说，两种解却可能不完全一致。
4.3初值形成问题。它包括初值处理、卫星资料的应用和四维同化（见数值天气预报资料的处理和分析）等问题，这些问题至今尚未很好解决。
4.4应用技术问题。上述问题，都是设计模式时会直接碰到的。但是最根本的还是人们对天气演变规律的认识，特别是对中期和长期天气过程和强风暴发生和发展的认识，还很不够。此外，气象探测的精度和预报的准确率，仍有待进一步提高。
4.5监测预报预警能力相对薄弱。一些灾害性天气的客观预报还没有非常有效的方法，对一些重要天气气候事件形成的机理认识还很有限，特别是短时临近灾害天气预报预警能力还比较弱。
5 提高数值天气预报质量的措施
5.1探空技术及先进的探测技术。事实上，数值预报的发展依赖于高新科学技术的发展，进一步并推动探空技术及先进的探测技术的发展，将会为预报提供了必要“食粮”；通讯技术的发展为业务预报资料的收集提供的必要的手段；动力气象和天气学的发展为各种模式的发展提供了理论；计算机和计算技术的发展是数值天气预报实现的必备工具。
5.2科学运用数值预报产品。不管是依据天气学原理判断周围影响系统的配置、发展关系进行订正，还是根据某一模式在不同季节、不同区域对不同影响系统预报误差倾向性以及预报的倾向性、连续性、一致性进行订正。在此过程中，预报员需根据实测资料对预报模式的初始场进行检验；对主要业务预报模式性能或能力进行分析和评估；对预报模式的预报趋势和偏差进行讨论；对不同预报模式间的差别和倾向性进行分析。
5.3注意预报模式的对比。要非常注重对不同预报模式的比较，不同预报模式对同一天气系统强度和位置的比较，同一预报模式不同预报时效对同一天气系统预报的对比，并结合自己的经验最终做出最合理的选择和判断。由于全球的气象信息是共享的，因此，天气预报员在进行预报的过程中，除了会参考自己的数值预报结果外，还要参看欧洲中心、日本等模式预报结果，全面了解分析后做出判断。
5.4大力提高预报人员的素质。预报人员的素质也决定着天气预报准确率。预报预测准确率的提高，不仅要依靠科技进步，还要重视发挥预报人员的主观能动性，应采取多种方式提高预报人员的技能与素质。
參考文献：
[1]陈德辉，薛纪善，杨学胜等.2008.GRAPES新一代全球/区域多尺统一数值预报模式总体设计研究.科学通报，53（20）
[2]李兴良，陈德辉.2005.非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究.气象学报，63（2）：161 171
[3]杨晓娟，钱永甫.2003.P 坐标系数值模式中气压梯度力的递推算法.大气科学，27（2）：171 181
[4]张人禾，沈学顺.2008.中国国家级新一代业务数值预报系统
GRAPES的发展.科学通报，53（20）
关键词：天气分析预报、数值预报 技术开发 应用研究
中图分类号：P456.7
从20世纪80年代起，全世界已有 30多个国家和地区把数值天气预报作为制作日常预报的主要方法。就预报项目来说，已包含有气压、温度、湿度、风、云和降水量；就范围来说，已从对流层有限区发展到包括平流层的半球和全球范围；就时效来说，除1～2天短期预报外，有的国家已开展了一个星期左右的中期预报。随着应用的日益广泛，进一步加强数值天气预报的研究，对未来的气象事业将具有重要意义。
1 应用数值天气预报的条件
1.1要建立一个较好的反映预报时段的（短期＼中期）数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法。
1.2由于数值天气预报要利用各种手段（常规的观测，雷达观测，船舶观测，卫星观测等）获取气象资料，因此，必须恰当地作气象资料的调整、处理和客观分析。
1.3由于数值天气预报的计算数据非常之多，很难用手工或小型计算机去完成，因此，必须要有大型的计算机。
2 数值天气预报数值的取得
2.1根据大气实际情况，把全球（或某一区域）非均匀分布的定时气象观测资料（如气压、风力、风向、温度、湿度等）在很短的时间内收集起来，把这些非均匀分布的气象资料插值到均匀分布的一个个格点上，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，形成数值天气预报模式的初值。
2.2和一般用天气学方法、并结合经验制作出来的天气预报不同，这种预报是定量和客观的预报。预报所用或所根据的方程组和大气动力学中所用的方程组相同，即由连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和3个运动方程（见大气动力方程）所构成的方程组。
2.3方程组是闭合的，方程组中含有7个预报量（速度沿x，y，z三个方向的分量u，v，w和温度T，气压p，空气密度ρ以及比湿q）和7个预报方程。方程组中的粘性力F，非绝热加热量Q 和水汽量S，一般都当作时间、空间和这7个预报量的函数，这样，预报量的数目和方程的数目相同。
2.4根据大气的初始状态，在巨型计算机上通过大气方程组（即数值预报模式）一个格点、一个格点，一个时间段、一个时间段地进行计算。在整个预报时段的计算结束后，模式将预报出全球（或某一区域）每个格点的气象要素值（如气压、风力、风向、温度、湿度、高度、云、雾、降雨量等），即预报出未来的天气。气象台的预报员将根据数值天气预报计算出的数值，进行再进一步的未来天气情况的判断。而经过最终确定的未来天气情况将以人们日常所见到的天气预报的形式发布给公众。
3 数值天气预报在我国的应用
中国于1955年开始摸索作数值天气预报，1959年开始在计算机上进行数值天气预报，1969年国家气象局正式发布短期数值天气预报，以后逐步改进数值预报模式并实现了资料输入、填图、分析和预报输出的自动化。目前，除完成日常的短期数值天气预报业务外，正准备作出中期数值天气预报。1955年用图解法两层模式作出了500百帕24小时的预报。1959年底，开始用电子计算机制作亚欧范围和北半球范围的正压、斜压过滤模式的高度场数值预报。1965年春，国家气象局开始发布正压500百帕预报。1969年，资料处理、客观分析和预报的自动化方案初步试验成功。1973年，开始用原始方程三层模式制作预报。到80年代初，从接收资料到填图、分析和输出预报图，实现了自动化，预报模式发展到多层原始方程模式，其中考虑了地形和非绝热加热等物理过程的影响。随着科学的发展与进步，天气预报的准确率是有所提升的。统计表明，目前，我国1-3 天的天气预报水平处于世界先进行列，24 小时的晴雨预报准确率也达到了83%的高点。
4 数值天气预报应用中存在问题
4.1次网格尺度的物理过程的引入。由于大气是一种具有连续运动尺度谱的连续介质，故不管模式的分辨率如何高，总有一些接近于或小于网格距尺度的运动（见数值天气预报常用计算方法），无法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为次网格过程。尽管用这种方法已取得了相当好的效果，但仍有许多未解决的问题。如参数的数值缺乏客观的确定方法，模式对参数化的差异过于敏感等。
4.2非线性方程的数值解。虽然在适当条件下，可以证明某些线性微分方程组的稳定格式的数值解，能够近似表示相应的微分方程组的真解，但对于非线性微分方程来说，两种解却可能不完全一致。
4.3初值形成问题。它包括初值处理、卫星资料的应用和四维同化（见数值天气预报资料的处理和分析）等问题，这些问题至今尚未很好解决。
4.4应用技术问题。上述问题，都是设计模式时会直接碰到的。但是最根本的还是人们对天气演变规律的认识，特别是对中期和长期天气过程和强风暴发生和发展的认识，还很不够。此外，气象探测的精度和预报的准确率，仍有待进一步提高。
4.5监测预报预警能力相对薄弱。一些灾害性天气的客观预报还没有非常有效的方法，对一些重要天气气候事件形成的机理认识还很有限，特别是短时临近灾害天气预报预警能力还比较弱。
5 提高数值天气预报质量的措施
5.1探空技术及先进的探测技术。事实上，数值预报的发展依赖于高新科学技术的发展，进一步并推动探空技术及先进的探测技术的发展，将会为预报提供了必要“食粮”；通讯技术的发展为业务预报资料的收集提供的必要的手段；动力气象和天气学的发展为各种模式的发展提供了理论；计算机和计算技术的发展是数值天气预报实现的必备工具。
5.2科学运用数值预报产品。不管是依据天气学原理判断周围影响系统的配置、发展关系进行订正，还是根据某一模式在不同季节、不同区域对不同影响系统预报误差倾向性以及预报的倾向性、连续性、一致性进行订正。在此过程中，预报员需根据实测资料对预报模式的初始场进行检验；对主要业务预报模式性能或能力进行分析和评估；对预报模式的预报趋势和偏差进行讨论；对不同预报模式间的差别和倾向性进行分析。
5.3注意预报模式的对比。要非常注重对不同预报模式的比较，不同预报模式对同一天气系统强度和位置的比较，同一预报模式不同预报时效对同一天气系统预报的对比，并结合自己的经验最终做出最合理的选择和判断。由于全球的气象信息是共享的，因此，天气预报员在进行预报的过程中，除了会参考自己的数值预报结果外，还要参看欧洲中心、日本等模式预报结果，全面了解分析后做出判断。
5.4大力提高预报人员的素质。预报人员的素质也决定着天气预报准确率。预报预测准确率的提高，不仅要依靠科技进步，还要重视发挥预报人员的主观能动性，应采取多种方式提高预报人员的技能与素质。
參考文献：
[1]陈德辉，薛纪善，杨学胜等.2008.GRAPES新一代全球/区域多尺统一数值预报模式总体设计研究.科学通报，53（20）
[2]李兴良，陈德辉.2005.非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究.气象学报，63（2）：161 171
[3]杨晓娟，钱永甫.2003.P 坐标系数值模式中气压梯度力的递推算法.大气科学，27（2）：171 181
[4]张人禾，沈学顺.2008.中国国家级新一代业务数值预报系统
GRAPES的发展.科学通报，53（20）