数值天气预报的发展远景(摘要)

一、引 言 自从35年以前做出最早的数值预报以来,数值天气预报取得了很大进步。这些进步的取得,不仅是由于有更好,更实用的模式,而且也由于在这个时期内,气象观测站的数量大大增加,这些进步可以从许多方面看出来;例如,更准确的短期预报产品,实用的预报方法在时效上的大量延伸,以及预报种类的显著增加。 大气的可预报性是有限的。近期,Lorenz(1982),Leith(1981),Katnay和Dalche1986)对全球预报误差的增长进行了研究。这些研究指出,可预报性取决于尺度;行星尺度比短期天气尺度的可预报性大。研究还指出,由于模式的改进,可使预报时限增加几天,初始误差的每一次减半又可使预报时限增加两天,因此,有用的预报技术的进一步发展,还是存在着很大潜力的。这种发展可能是逐步的,并且取决于以下几个方面的进展:     

大气的可预报性:有数学理论吗?

长期以来,人们公认天气预报经常是不准确的。目前大多数人们认为,造成这种不准确性的原因,不单纯是由于缺乏最好的预报技能,而可能由于大气某些内在的不可预报性所致。当前对大气可预报性的研究,一般以假定的相对于小振幅扰动的大气不稳定性为基准,以没有任何误差的大气观测的不可能性作为前提。如果大气的几个状态几乎是相同的,以致于没有根据来描述某一种实际存在的大气状态,即使这些状态纵然取决于相同的规律,最终必定在不同的过程中发展,归根结底将不存在从几个有显著差别的状态中选择预报的根据。 大多数可预报性的研究,建大在数值模式的基础上,通常的做法是由“正确的”初始状态和一个或更多个“不正确的”初始状态确定出解,观察这些解的离散速率,依据加倍时间,对小振幅误差结果进行总结。     

SST短期数值预报

以海洋原始方程组为基础,用SST常规船舶资料形成初始场,以气象预报产品提供海表面的强迫场,建立了一个有限区域的SST短期(3～5d)动力数值二维预报模式,开创了第一代SST短期数值预报模式.利用此模式进行了试预报,预报效果良好,实现了表层海水温度数值预报业务化运行,实效为3d的预报精度均方误差达到1.0℃左右.     

ECMWF和GFS模式对一例温带气旋预报性能的对比分析

利用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)的确定性、集合(平均值和标准差)预报产品和NCEP/GFS(美国国家环境预报中心/全球预报系统)的确定性预报产品,对比分析了它们对西南太平洋一例中α尺度温带气旋的预报性能,结果表明:GFS10—7天前的形势预报较差,6—4天的形势预报较好,但对气旋的强度和位置预报较差;ECMWF确定性模式对该气旋的中期形势预报较GFS模式稳定,两家模式短期形势预报都很准确;ECMWF集合(平均)预报的中期形势较确定性预报更稳定,对天气系统位相的预报更准确,但强度预报偏弱,其标准差场可以定性评估形势场预报的准确性;上述三类产品的综合预报可以有效改善NMWW3(多重网格WAVEWATCHⅢ)模式海浪中期形势和短期要素预报。     

台风风暴潮异模式集合数值预报技术研究及应用

台风风暴潮数值预报的准确性在很大程度上取决于台风路径预报和强度预报的精度以及风暴潮预报模型的计算精度。目前,国际上24/48 h台风路径预报平均误差分别约为120/210 km左右[1],对于走向异常的台风误差更大;更有,根据单一的台风路径和单族的风暴潮数值预报模式并不能保证获得可靠的风暴潮预报结果。考虑多重网格法原理具有在疏密不同的网格层上进行迭代以达到平滑不同频率的误差分量,使得计算快速收敛,精度提高的特性。在前期研究基础上基于业务化高分辨率(结构网格/有限差分算法)和精细化(非结构网格/有限元算法)台风风暴潮集合数值预报模型构建多模型台风风暴潮集合数值预报系统。采用"非同族"模型进行集合预报很大程度上降低了误差相似遗传的可能性。应用该方法对典型台风风暴潮过程进行了试应用,试报结果表明:该方法对风暴潮增、减水预报效果高于单一集合预报,具有一定的应用前景。     

城市空气质量数值预报的不确定性与可预报性

主要综述了数据误差、随机误差和模式物理误差所造成的城市空气质量数值预报的不确定性,简要介绍分析预报不确定性的统计方法。并对由内在随机性和外在误差引起的可预报性问题进行了分析讨论     

第三讲 风暴潮数值模式计算中气压场和风场的处理

风暴潮数值模式计算必须给出每个格点的风应力值和气压梯度。就台风而言,目前尚不可能靠观测获得这些值,必须采用气象模式。显然,风暴潮模式结果的好坏,在很大程度上依赖于气压场和风场模式的优劣。英国专家Heaps(1983)曾经指出,风暴潮模式预报决定性地取决于输入的气象资料的质量。因此,在介绍风暴潮模式计算之前,首先概要介绍气压场和风场的处理。     

一次登陆湛江台风风暴潮数值预报

本文对2002年8月在湛江附近登陆的0214号强热带风暴(黄蜂)进行了风暴潮实时预报。根据中央气象台预报的热带气旋强度和位置,采用数值模式,在该热带气旋由北上加强到登陆减弱的整个过程中,进行了三次实时预报,分别为18日20时、19日08时和19日 17时。预报结果表明本数值模式具有良好的预报功能,并指出其风暴潮预报时效和精度在很大程度上取决于热带气旋气象预报的时效和精度。     

戈达德大气试验室(GLA)四阶大气环流模式(GCM)预报的一个重力波曳力效应的参数化方案

一、引 言 我们对戈达德大气试验室四阶大气环流模式用2°纬度乘2.5°经度的描述,体会到在使用高的水平分辨率能加强模式在北半球展现的西风偏倚倾向这点上,与其它模式的一批方案如英国(U.K.)气象局(Palmer等,1986)的方案是相似的。可能由于这种偏倚的关系(这种偏倚在典型的高分辨数值预报5—10天后变得明显),4°×5°的预报比2°×2.5°的预报在进入7—8天的预报后更趋向于变得成熟。 帕尔门(Palmer)等人(1986)指出,美国气象局模式中关于用次网格尺度地形性发生的重力波来对平均风曳力进行初始化方案的内容,在上述模式的高分辨方案中可以减弱西风的偏倚。因此,我们开始研究戈达德大气试验室四阶模式中重力波曳力的参数化效应。     

中国海及邻近海域卫星观测资料同化试验

利用1个基于POMgcs海洋模式和多重网格三维变分同化方法建立的中国海及邻近海域海面高与三维温盐流数值预报模型,通过一系列数值试验,研究了同化卫星测高和卫星遥感海面温度观测资料对该模型预报能力的影响。试验结果表明,同化卫星测高资料可明显改善海面高度与三维温度和盐度的分析预报效果,使1 200 m以上的温度预报误差减小0.16℃,并能有效提高对海洋中尺度现象的预报能力;同化卫星遥感海面温度对100 m以上的温度和盐度的预报效果有所改善,可使海面温度的预报误差减小10%。     

东中国海水动力短期预报系统的构建及适用性研究

本文基于中国近海高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)海洋模式和"两洋一海"海洋-大气耦合预报系统,构建了由区域到近海的降尺度预报框架,建立了东中国海水动力短期预报系统.预报系统采用后报-预报循环计算方式运行,可以合理避免误差累积.结合多源观测海表面温度和海表面高度资料,评估了...     

JASON-2卫星高度计波高数据同化对中国渤黄海海浪数值预报影响研究

利用原国家海洋局北海分局浮标所测有效波高数据对Jason-2卫星高度计所测有效波高数据进行验证,采用50km空间窗和0.5h时间窗,得到219个时空配准点。对配准结果进行统计分析表明,Jason-2卫星高度计测得有效波高与浮标测量结果存在-0.277m的偏差,均方根误差为0.372m。利用最小二乘回归(OLR)对Jason-2有效波高数据进行校正可使其均方根误差下降至0.247m,减少34.5%。基于第三代海浪模式WAVEWATCH III对Jason-2有效波高数据进行最优插值同化试验,其中背景误差相关函数取为指数形式,相关距离尺度选为500km。与浮标观测数据比较表明,同化后模式有效波高均方根误差比未同化时减少11.56%,,能够有效地改善模式精度。以此为初始场进行为期3d的数值预报实验。与未同化实验相比,卫星高度计有效波高数据同化对模式0～72 h预报有不同程度的改善,改善程度随预报时间的增加而降低。     

潮汐预报研究迈出新步伐 上海研制成调和浅水分潮预报软件

上海市自然科学基金项目——提高潮汐预报精度方法与应用软件研究,是对潮汐学中实用预报技术的更高层次的探索,已由上海计算技术研究所全面完成,并于4月1日在沪通过技术鉴定.在浅海河口地区,由于曲折的岸线、海底摩擦作用,以及与浅海分潮有关的不同分潮之间相互作用的影响,使以往潮汐分析和预报模式在实际应用中存在一定误差,尤其是对于高低潮位和潮时预报,往往与实际测量数值偏差较大.此项研究工作较好地解决了这一问题,提高了潮汐预报的精度.其取得的重要成果有:     

基于MASNUM海浪预报系统的北印度洋波浪特征模拟与预报分析

基于MASNUM海浪数值预报系统的全球10 a后报数据库资料,分析了北印度洋区域波浪分布特征.由于该地区受季风控制显著,夏季波浪大于冬季;在空间分布上,西部比东部风大、浪大,在亚丁湾、索马里外海波浪最大.基于Janson-1卫星高度计有效波高观测资料,对MASNUM海浪预报系统的预报性能进行了检验,检验结果表明,预报波高均方根误差在0.5 m左右,短期的24 h预报效果好于48 h和72 h,冬季好于夏季.另外,对预报误差进行了相应的概率分布分析.     

海洋温度场稳定性与可预报性研究

海洋温度场具有强烈的时空易变性,带有典型的混沌特征,研究其稳定性对改善温度场可预报性具有重要意义。以混沌理论为支撑,改进最大Lyapunov指数算法,基于POM数值模式预报的温度时序为试验样本,研究了东中国海范围内的海洋温度场混沌稳定性分区和特征,并在此基础上针对混沌强弱区做添加观测试验,研究了基于稳定性分区的温度场可预报性。仿真结果表明,在混沌强烈区添加观测相比较弱区对改进预报效果更显著,对混沌强烈区添加观测整体上可以降低预报温度均方根误差0.2~0.7℃左右,证实了在该区域加强观测能在一定程度上改善温度场的可预报性。     

我国极地数值天气预报系统在南极长城站的应用与检验

选取2018年2月—2019年11月南极长城站气象台观测资料,对我国极地数值天气预报系统的风速、降水、气温和气压预报进行了检验。统计结果表明:预报风速误差呈正态分布,平均误差随预报风速增加有变大的趋势,短期预报好于长期预报,6级及以上大风时预报结果偏大的概率逐渐增大。预报降水量约是观测降水量的两倍,且在时间上和各降水量级上的误差分布特征一致,降水预报明显偏大。气温和气压的预报能够较好地反映天气形势变化,但存在明显的系统性偏差,其中气温的平均值偏小2.1℃,气压的平均值偏大2.4 hPa。     

福建沿海精细化台风风暴潮集合数值预报技术研究及应用

该文首先基于高级环流模型(ADCIRC)建立了一个适合台湾海峡及福建沿海区域的精细化台风风暴潮数值预报模式。利用所建立的精细化数值预报模式对影响台湾海峡及福建沿海的8次台风风暴潮个例进行了模拟,对模拟的24个站次的风暴潮增水峰值与实测值进行了对比,平均绝对误差小于15 cm;其次,为了尽可能减小由于台风路径预报误差而造成的风暴潮增减水误差,本文采用了集合数值预报技术,试报证明此方法可以在一定程度上减小风暴潮增减水误差。     

登陆热带气旋降水预报研究回顾与展望

重点围绕登陆热带气旋(LTC)降水预报研究进行了回顾和总结,指出针对LTC降水有三类预报技术:动力模式、统计方法和动力-统计结合的预报方法。以数值天气预报(NWP)模式为代表的预报技术对LTC降水的预报能力仍然非常有限。改进NWP模式预报误差的途径主要有两条:一是发展NWP模式;二是发展动力-统计结合的方法。分析表明,动力-统计相似预报是一项很有潜力的技术;针对现有研究中的不足,开展LTC降水动力-统计相似预报研究,探索减小数值模式LTC降水预报误差的有效方法,将是一个充满希望的研究领域和方向。     

气象资料的误差对台风暴潮数值预报精度影响的估计

本文计算了台风气象要索的观测与预报的误差对台风暴潮数值预报精度的影响。结果表明,由于台风气压场分布形势、中心气压、风速、最大风速半径诸因子的观测与预报的误差可造成台风暴潮在 24小时的数值预报中出现0.51米的平均绝对误差。     

一种有限区域海表温度预报模式——Ⅰ.动力学部分

本文探索性地以建立短期SST业务数值预报模式为目的,从中国海域的海洋学特征出发,给出一个物理上合理、业务可行的上混合层二维原始方程预报模式。它包括低频流(黑潮及其分支)方程组、由漂流方程和热力学平流方程组成的动力方程组、从热力学方程中“割裂”出来的模式物理学方程三个组成部分。本模式用于3—5天SST预报,同时也给出混合层平均漂流的预报。由于本文属创新性研究,讨论内容较多,故将文章分作两部分。在部分Ⅰ仅限于讨论模式建立的物理依据以及模式的动力学方面的内容。