初始条件和边界条件的重要性

数值天气预报是在一定的初始、边界值条件下求解差分方程的数值解。初始条件为预报方程组在初始时刻的值，无论全球模式还是中尺度模式都需要初始条件；边界条件是局部地区边界预报方程组应该满足的条件。在全球模式中，由于研究的是围绕着地球的整个大气圈内的运动，因而没有边界条件。而中尺度模式研究的是一个局部地区的大气运动，所以需要给定边界条件。中尺度模式需要给定合适的初始、边界条件，初值给定的好坏，直接影响预报的质量。

4.1.4.1　初始条件与初始化

对于一个数值天气预报模式，初始条件的确定是至关主要的，也是非常复杂的。在数值天气预报模式中利用未经初始化的客观分析场作为初始场时会出现明显的带有惯性重力波特征的剧烈震荡，以至掩盖天气尺度运动的信号，引入不必要的误差。造成此类误差的原因是观测资料无法真实反映大气的实际状态，有的状态变量观测精度参差不齐，这样使得初始场各个变量之间出现不一致和不平衡。为解决上述问题，必须对初始条件进行处理，把初始条件中的不平衡部分滤掉，使得虚假重力波不会被激发，这个过程称为初始条件的初始化。初始化已有静处理、动处理和变分处理等多种初值处理方法。

静处理是指用一些已知的风压场平衡关系，或用运动方程求得的诊断方程来处理初值，使风场和气压场平衡或近似平衡的方法。这样可以避免产生大振幅的重力惯性波，造成不稳定。常用的平衡关系有地转风关系以及平衡方程关系等，相应得到地转风初值和平衡初值。静力初始化方法最为简单，计算量也小，但用于原始方程模式的预报效果相对较差。

动处理是借助于原始方程模式本身所具有的动力特性，通过滤去一些重力惯性波阻尼，而得到近似平衡的初值。该方法能够通过预报方程本身的特性，调整风场达到近似的平衡，以至不含有明显虚假的重力惯性波。动处理初始化方法计算相对复杂，计算时间可长可短，但有一定的局限性。(www.xing528.com)

变分处理是通过变分原理，使得初始资料在一定动力约束下调整，达到各种初始场之间相对一致的方法。变分方法物理意义清楚，可以保证所要求的守恒性，能够较好地滤去重力惯性波。这种方法应用的优劣取决于约束关系的优劣，对于简单的约束关系，求解方便，数学问题较少，计算时间也较少；对于较复杂的约束关系，数学问题较多，计算时间也较长。

4.1.4.2　边界条件

数值天气预报模式要得到确定的数值解，需要给定边界条件。边界条件的提供不仅是模式积分的需要，而且对于模式守恒格式的构造设计有着非常重要的作用。边界条件一般指两种：垂直边界条件和水平侧边界条件。

对于垂直边界条件，采用σ坐标系使得模式的下边界变得非常简单，不用解决地形处理难的问题。对于水平侧边界条件，在中小尺度数值天气预报模式中，必须在边界上取得相应的数值，而在全球预报模式中，并不一定需要具备这种条件。在实际的业务和科研工作当中，要求所给的边界条件尽量和大气实况相接近，所给边界条件与模式方程的结合能反映原来方程在全球范围内的重要物理特性。