数值天气预报的发展历程与未来展望

大气运动遵守牛顿第二定律、质量守恒定律、热力学能量守恒定律、气体实验定律和水汽守恒定律等物理定律。这些物理定律的数学表达式分别为运动方程、连续方程、热力学方程、状态方程和水汽方程等基本方程。它们构成支配大气运动的基本方程组。

所谓数值天气预报，就是在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动基本方程组，由已知的初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态。因此，大气运动基本方程组是制作数值天气预报的基础。

100 年前，挪威学者Bjerknes首次对数值天气预报理论作了非常明确的表述，认为大气的未来状态原则上完全由大气的初始状态、已知的边界条件和大气运动方程、质量守恒方程、状态方程、热力学方程所共同决定。换句话说，在给定大气初始状态和边界条件下，通过求解描述大气运动变化规律的数学物理方程组，可以把未来的天气较精确地计算出来。Bjerknes提出了动力天气预报的新理论方法，而英国科学家Richardson则首次提出直接用 “数值积分” 这些方程的方法求解这一问题：取未经简化的完全原始方程，水平格距200km，垂直4层，中心位于德国，1910年5月20日07世界时的观测作为初值。他借助一把10in^[1]的滑动式计算尺，制作出了世界上第一张6h地面气压数值预报图 （时间积分为1910年5月20日04—10世界时）。可是，这张地面气压预报图 “预报” 的6h气压变化为14.6kPa，而实际观测气压几乎没有多大变化，从精度上看该预报毫无参考价值，而且其计算时间花了将近一个月，从时效上也已毫无预报意义了。可以说，Richardson的首次数值天气预报是失败的。然而他的研究工作的真正价值在于暴露了后来该领域研究工作者都必须面对的所有关键问题，并为这些问题的解决奠定了工作基础。

20世纪40年代前后大气科学取得了重大突破，人们揭示出了大气中存在着3 大波动，即声波、重力波、大气慢波。除此之外，Rossby波也是一种重要的天气学波动，是根据著名的Rossby大气长波理论提出来的。这些为数值天气预报滤波模式发展奠定了大气科学理论基础。到第二次世界大战后，地面和高空观测密度、范围大大增加，并出现大容量、高速电子计算机，为数值天气预报模式发展提供了可靠的初值条件和有力的计算手段与工具。Charney等在1950年，借助美国的世界首台电子计算机ENIAC，用滤掉 （或不包括）重力波和声波的准地转平衡滤波一层模式，成功地制作出了50kPa高度场形势24h预报，从而开创了数值天气预报滤波模式时代。继Charney等的成功之后，Rossby返回瑞典领导一个研究小组， 也成功地利用瑞典制造的、 当时世界上强大的计算机BESK，再现了Charney等的数值预报试验。4 年后（即1954年）瑞典在世界上率先开始了实时数值天气预报，比美国开始业务数值天气预报早了6个月。从这一年开始，数值天气预报从纯研究探索走向了业务应用，同时也意味着地球科学由大气科学开始从定性研究向定量研究迈出了坚实的第一步。

Charney并不止步于其滤波模式的成功，而是看到若采用Richardson当初尝试过的非滤波原始方程会做得更好。 要从滤波模式走到原始方程模式必须逾越两道障碍：①Richardson揭示出来的如何获取足够精度的初始水平散度场的问题，而水平散度又不是气象观测变量；②如何选择满足计算稳定条件的时间步长，这意味着若时间步长过短、对计算机能力要求过高而影响其可行性。Charney通过小时间步长、初始水平散度取为零的正压原始方程模式的成功试验证明了原始方程模式用于数值天气预报中是可行的。另外，Charney对非绝热和摩擦项、水汽凝结过程、辐射过程、湍流过程等物理过程的重要性和作用进行了讨论，随后的研究也越来越重视次网格物理过程的参数化影响问题。Smagorinsky首先引入湿绝热过程 （Moist Adiabatic Process）参数化获得成功；进入20世纪60年代中期，一批有影响的参数化方案相继提出，如Manabe等提出了简单干对流调整过程（Dry Convective Adjustment）参数化方案，并成功地用于许多数值天气预报模式中；Kuo针对热带对流过程提出的积云对流参数化方案直至今日仍是众多研究和业务数值天气预报模式中的首选方案。从20世纪60年代中期起，次网格物理过程参数化的重要性得到了确定，也逐步走向成熟。与此同时，包含有简单物理过程参数化方案的、较完善的原始方程数值天气预报全球模式也在逐渐形成。1965年，Smagorinsky等提出了当时较高分辨率的9层大气环流模式，数值试验结果表明该模式的设计构造是成功的，这是数值天气预报模式业务应用10年后，在数值天气预报模式设计上取得的重大突破，为现代数值天气预报模式的研究与应用奠定了重要基础。

经过一个世纪的数值天气预报理论研究和半个世纪的业务化应用实践，数值天气预报取得迅速发展。数值天气预报已成为现代天气预报业务的基础和天气预报业务发展的主流方向，改进和提高数值预报精度是提高天气预报准确率的关键。最近10多年来，大气科学以及地球科学的研究进展，高速度、大容量的巨型计算机及其网络系统的快速发展，加快了数值天气预报的发展步伐。在这一发展过程中，一方面，数值预报水平和可用性大大提高，天气形势可用预报目前达到甚至超过7 天；制作更精细的数值预报也已成为可能，数值模式的应用领域也从中短期天气预报拓展到短期气候预测、气候系统模拟、短时预报以及临近预报，从大气科学到环境科学、甚至地球科学。

由于数值天气预报的模式方程组是非线性偏微分方程组，目前还没有普遍的解析求解方法。因此必须将模式方程组离散化，然后用相应的数值方法进行求解。离散化的方法大体可分为三种类型：①用差商代替微商，把偏微分方程变成差分方程，然后用代数方法求解，称为差分法；②用某种基函数（如球谐函数）将场变量展开为有限项的线性组合，再利用基函数的特性，将偏微分方程化为以展开系数及其对时间微商的常微分方程组，然后再用差商代替微商求数值解，称为谱方法；③把偏微分方程问题变为泛函极小问题求解，如里兹法和有限元法。目前这三种方法中，应用最广泛且最简便的是差分法，而随着计算机和计算方法的发展，谱方法也越来越显示出它的优越性，在全球范围的中期模式和大气环流模式中被广泛使用。(www.xing528.com)

以上不论哪一种方法都须将连续的大气运动离散化，即将模式内大气的三维空间分割成为排列整齐的网格点阵，而各网格点上气象变量的数值则代表了当时大气的状况。20世纪80年代，香港地区数值天气预报所使用的网格，受限于当时计算机的运算速度和存储容量，当时只能够把有限区域的大气层切割成100km×100km 的方格进行计算，且每天只可以运算一次。

由于网格比较稀疏，数值预报模式分辨率也相应较低。此外，模式中的大尺度 （即格点尺度）凝结过程的处理比较简单，通常是饱和溢出方法，人们将更多的注意力放在对积云对流参数化方案的发展和改进上。由于在此过程中未考虑云的生成过程，使得模式大气中缺少了水物质（云水、雨水、冰、雪等）的拖曳作用，当模式分辨率逐渐提高时垂直速度会出现虚假增长，从而导致模式降水量的虚假增加。为解决以上问题，美国中期数值预报业务模式（MRF）在将T126L28升级为T170L42时，对模式物理过程作了改进，用预报云 （凝结物）方案替代了原来的饱和溢出方案。该方案将次网格尺度 （对流参数化过程）云中卷出的凝结物作为大尺度预报云凝结物的一个额外源项予以考虑，使数值模式整体更合理，也为模式分辨率的提高奠定了基础。预报模式的改进，结合超级计算机运算能力的突飞猛进，数值天气预报的水平分辨率不断提高。

到2001年，水平分辨率达到20km×20km，每3h更新一次预测，时效性也大大提升。模式分辨率提升到20km 无疑是一大改进，但对于空间分布极不均匀的雨量变化而言，其精确度仍不足。随着电脑的运算能力增加至每秒1万亿次浮点运算以上，结合数值预报模式的创新，一套分辨率为2km×2km 的数值天气预报模式变得可行。

提高模式的分辨率对于减少预报误差、改进预报质量有重要作用。但是在整个计算区域内提高模式的分辨率会使计算量迅速增加，降低预报的时效性，解决这一矛盾的一种有效途径是采用嵌套网格。所谓嵌套网格是指对整个计算区域采用粗网格，而对其中的重点预报区域或主要天气系统所在区域采用细网格，粗细网格相互嵌套，并由粗网格模式为细网格模式提供时变边界条件。嵌套网格中的细网格可以是固定的，也可以是随系统移动的，以保证主要天气系统（如台风、气旋、暴雨区等）始终位于细网格中心区域，因而又称为移动套网格。此外还有所谓的多重嵌套网格，即在细网格区域中再嵌套一个更细网格的预报区域。例如，我国国家气象中心的数值天气预报系统就采用了多重嵌套网格技术，粗网格模式为T106Ll 9的全球中期数值预报谱模式，在亚洲范围内嵌套水平格距为1°的有限区域模式（HLAFS），其中再嵌套水平格距为0.5°的高分辨率的暴雨模式或台风模式。采用嵌套网格的优点是：既可由粗网格模式为细网格模式提供更为真实的时变边界条件，有效地提高重点预报区域和主要天气系统的预报准确率，又可将计算量控制在一定范围内。因此，近年来这种预报方法得到了广泛重视和迅速发展。

天气系统按照其空间尺度大致可分为四类：行星尺度天气系统、天气尺度天气系统、中间尺度天气系统、 中小尺度天气系统。 按照美国的术语定义， 将水平尺度由2～2000km 的系统统称为中小尺度天气系统，其中又分三类：200～2000km 的称中小尺度α天气系统，包括台风、锋面等；20～200km 的称中小尺度β 天气系统，包括龙卷、飑线等；2～20km 的称中小尺度γ 天气系统，包括雷暴单体等。对于风电功率预报系统，重点关注的是中小尺度天气系统的数值天气预报。

用数值天气预报模式对中小尺度天气系统进行预报或诊断分析研究，现已是世界各国气象工作者的常用做法。由于计算机的普及，目前一般台站都有高档的微机或工作站。因此我国相当多的台站已开展了数值天气预报业务或准业务的实验。从目前的情况来看，使用最多的是从美国引进的MM4／MM5模式和WRF 模式，下边将简要介绍这两类模式基本的程序结构。