数值天气预报简介

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1、数值天气预报数值天气预报（N umerical Weather Prediction, NWP）是根据 大气实际情况，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，预报未来天气的 方法。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） 共 7 个方 程所构成的方程组。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p以及 比湿

2、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。通过 高性能计算机求解方程组,获得未来7个未知数的时空分析,即 未来天气分布。数值天气预报与经典的以天气学方法作天气预报不同,它是 一种定量的和客观的预报,正因为如此,数值天气预报首先要求 建立一个较好的反映预报时段的（短期的、中期的）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。其次,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。第三,由于数值天气预报的计算数 据非常之多

3、,很难用手工或小型计算机去完成,因此,必须要用 高性能的计算机。在中国，1982 年开展数值预报业务。目前数值预报已经成为 各种业务天气预报的最重要的基础和持续提高业务天气预报准确 率的根本途径。在全球气候变化的大背景下，今年以来中国极端天气事件发 生频繁，且呈多灾并发、点多面广的特点，并有多项局部地区灾 害强度超过历史纪录。其中包括南方暴雨洪涝，淮河流域性大洪 水；北方多省局地强降雨；川渝地区继去年有气象记录以来最严 重干旱，今年又最强降雨；北方和南方同时出现长时间、大范围 高温干旱；今年雷击致人死亡为历年之最。为了应对这种极端天 气气候事件的发生所带来的巨大损失，中国政府已经把防御极端 天

4、气气候灾害置于应对气候变化的极端重要位置。今后几年政府 在气象、环境、海洋领域的投入将会越来越大，而做为国内高性 能计算机领头羊的曙光服务器凭借在气象领域的大力投入和气象 领域众多的成功案例，在灾害气候天气的减灾预警上必大有可为。1.1. 中尺度气象预报模式中尺度气象是现代气象科学中发展迅速的一个重要分支，它 所研究的大气中尺度运动，关系到区域重要灾害性天气的生消和 发。它一方面应用卫星、雷达、风廓线仪和自动观测站等一系列 新的探测工具，通过中尺度野外试验，揭示中尺度观测事实；另 一方面通过中尺度数值模式，对中尺度天气过程进行深入的模拟 研究和预报试验。随着近年来计算机技术的迅速发展，中尺度数

5、 值模式已日趋成熟，成为中尺度气象的一个重要的研究和应用手 段。中尺度数值气象预报模式有许多，其中 MM5 是目前国内外 应用最为广泛的模式，被广泛的应用于国内外各气象部门和相关 机构。WRF模式是在MM5模式上发展起来的新一代中尺度模式, 它将逐渐的替代MM5模式。GRAPES模式是中国气象局自主开 发的新一代数值预报系统,它是中小尺度与大尺度通用的先进数 值预报系统，目前国内很多气象部门已经在对GRAPES进行研究 和应用。 AREMS 模式是气科院武汉暴雨研究所牵头研制的模式, 综合考虑了国内外数值模式中复杂地形的处理方法，从而较适合 于我国的地形特点，针对水汽过程的重要性和复杂性，建立

6、了特 有的水汽传输和显式云雨方案；对江淮流域暴雨过程的预报情况 较好。1.1.1. MM5 模式中尺度气象预报模式MM5是由美国国家大气研究中心(NCAR) 和宾夕法尼亚州立大学联合开发的第5代中尺度天气预报模式。美国国家大气研究中心和宾州大学从七十年代中期起研制中 尺度数值模式MM4(早期为MM2)，经过二十多年的不断改进和应 用，先后形成了 8 个版本，这些版本已经被美国大学和科研单位 广泛应用于对热带风暴、中纬度气旋锋面系统、暴雨、中尺度对 流系统等重要天气过程的中尺度数值模拟以及对环境科学的研 究。到了 90年代初，在MM4的基础上，进一步研制出了 MM5。MM5 是用于气象预报模拟的

7、中小尺度非静力动力气象模式， 它是目前气象领域中使用最为广泛的中尺度预报模式。在我国已 经建成的有限区域数值天气预报业务系统中，绝大部分都采用该 模式作为业务模式。MM5的最新版本是MM5V3,其研发工作已经停止，继而转向WRF 模式。1.1.2. WRF 模式WRF 模式是在 MM5 模式上发展起来的新一代中尺度模式， 是 Weather Research Forecasting model 的简称。 WRF 模式系统是 由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新 一代中尺度预报模式和同化系统。WRF 模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度 重要天气特征预报精度的工具，

8、重点考虑110公里的水平网格。 模式将结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物 理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能 力。它将很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要， 并具有便于进一步加强完善的灵活性。WRF 模式系统具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便 的等诸多特性，新的科研成果运用于业务预报模式将变得更为便 捷，同时也方便科技人员在大学、科研单位及业务部门之间的交 流。WRF 模式作为一个公共模式，由 NCAR 负责维护和技术支 持，免费对外发布。第一版的发布在 2000年11月30日。04年5 月21日推出了嵌套版本V2.0。05年8月3日推出了

9、 V2.1,目前 最新版本是06年12月22日发布的V2. 2。1.1.3. GRAPES 模式GRAPES 模式是中国气象局自主开发的新一代数值预报系统。 其全 名是 全球/区 域同 化预 报系统 ，GRAPES 是其 英文全称 “ Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System”的简称。同时grapes又是“葡萄”的英文，所以我们又 称“GRAPES模式”为“葡萄模式”。GRAPES 系统是集常规与非常规变分同化、静力平衡与非静力 平衡、全球与区域模式、科研与业务应用、串行与并行计算、标 准化与模块化程序、理想实验与实

10、际预报等为一体，中小尺度与 大尺度通用的先进数值预报系统。GRAPES系统包括：全球中期天 气数值预报系统（全球中期GRAPES）、有限区域中尺度数值预报 系统（中尺度GRAPES）等。其预报时效、垂直层次和水平网格距 可以根据计算条件和业务需要合理设置和调整。该预报系统的短 期目标为在未来35年的时间内，建立我国新一代、多尺度统一 的数值天气预报系统，可提供空间分辨率达5100公里、时间分 辨率达几小时10天的数值预报，使预报准确率比现有水平有明 显提高。而 GRAPES 的长期目标则是持续性地研究开发面向 21 世纪的 我国数值预报系统，不断改进和提高数值预报准确率，为中国气 象局的天气-

11、气候预报服务水平的不断提高给予科学理论和技术 支撑，以满足国家经济建设和社会发展对气象服务不断增长的需 求。1.1.4. AREMS 模式为了适应当前气象业务发展的需求，中国气象科学研究院武 汉暴雨研究所和中国科学院大气物理研究所以REM模式（也称ETA 模式）作为基础框架之一发展了 AREMS 中尺度暴雨数值预报模式 系统。该模式在淮河流域、长江流域暴雨预报试验中，使用效果 良好。AREMS 的动力框架采用了曾庆存设计的唯一能构造出完全能 量守恒时空差分格式的数学模型，具有很好的计算稳定性。模式 采用n坐标，能较好地考虑真实地形（陡峭地形）的作用。对水 汽平流方程采用简单而有效的保形正定平流

12、差分方案，并解决了 在E网格中的应用问题，避免了大多数模式中常出现的负水汽现 象或平滑耗散过强过程现象保证了模式对降雨范围、降水强度、 暴雨中心位置以及雨带的移动有较好的预报能力。变量在网格上 的分布形式采用了跳点网格方式，跳点网格可以提高水平分辨率， 减少计算量，是一种较经济的变量分布格式。垂直方向分 35 层， 水平分辨率为37 km。模式在资料前处理上运用三维变分方法进 行资料同化。边界条件每 6 h 替换一次，在一定程度上能解决固 定边界条件带来的弊端。AREMS 综合考虑了国内外数值模式中复杂地形的处理方法， 从而较适合于我国的地形特点，针对水汽过程的重要性和复杂性， 建立了特有的水汽传输和显式云雨方案；为了保证模式的运行效 率、精度和稳定度，设计了独特的E网格“半格距差分”方案。今年江淮流域汛情异常严峻，而中尺度暴雨数值预报模式系 统AREMS对该流域多次暴雨过程做了较为准确的预报，为流域的 防洪抗灾决策与服务提供了重要的依据。汛期业务试验证明， AREMS 模式对江淮流域暴雨过程的预报情况较好，对雨带的位置、 走向和移动趋势做出了较好的预报，对暴雨中心的位置、强度预 报也与实况较为一致，特别是1236小时时效的大暴雨预报，TS 评分明显高于其它模式。