学文网摘 要：气象数值预报是指利用现代电子计算机，通过客观的求解大气运动控制方程组，进行天气形势的预报。气象数值预报是现代大气科学的重要组成部分，它标志着一个国家的气象预报水平。本文就气象数值预报的发展历史、工作原理以及影响因素做了一个简要的介绍。
关键词：数值预报；气象；大气运动
中***分类号：P459.9 文献标识码：A
1 发展历史和现状
很多年以前，天气预报的个人差异性非常大，准确率也较低，这是因为当时的预报员是根据个人所掌握的气候背景和经验、天气变化的基本理论知识以及统计关系综合出来的，预报技术基本是依靠经验的，不能成为精确的科学。
在1913年，皮叶克尼斯（V. Bjerknes）教授提出，将物理学的理论方程组应用到实际大气中，根据现在所观测到的天气状态计算未来的天气状态。而后，L. F. Richardson理查森，另一近代气象学奠基人，用原始形式的运动方程、连续方程、热力学方程和水汽方程，还考虑了复杂的辐射和地表的物理过程，对皮叶克尼斯教授的设想做了大胆的尝试。然而，在当时的计算条件下，需要6.4万人连续工作12h才能做出一次24h的预报，这在当时无疑只是一个梦想。
20世纪50年代初期，气象预报在美国普林斯顿大学首次试验成功。那期间，大气探测技术、长波理论的提出以及计算数学和计算机技术这3个方面取得了重要的进展。这可以说是构成现代气象数值预报的科学基础。
气象数值预报是指根据大气热力学和动力学定律，从大气环流任一已知的初始状态出发，在一定的边界条件下，通过大型计算机做辅助运算，去预报未来一定时间内大气运动状态和天气现象的方法。
从20世纪60年代中期开始，气象数值预报，在大型电子计算机高速化、卫星探测技术成熟化以及大气环流数值模拟实现化的基础上，有了迅速的发展，主要表现在，预报的项目和质量以及预报时效都显著提高了。
当前数值预报虽然有了这样蓬勃的发展，但是它对异常复杂的天气变化的预报能力仍是很有限的。这主要是由于，当前人们对天气变化涉及到的物理学规律的全面了解还不够，大气探测水平和计算技术也还不够完备，使得迄今为止，10d以上的天气过程、短期的降水量以及大中尺度形势的剧烈变化等的预报仍还没有成功。将来气象数值预报的发展应主要在这些方面展开：
研究中小尺度的灾害性剧烈天气预报，建立中尺度数值预报模式；利用全球大气模式研究10～15d的中期预报；从气候过程的热力学和动力学的观点，探索1个月以上的长期，乃至气候数值预报。
2 数据处理和客观分析
对具体的天气进行预报之前，要掌握当前的大气状态。尤其是气象数值预报，它是通过解流体力学方程组、热力学方程和水汽方程等来预报未来天气变化，更必须有正确的大气状态作为初值。随着大气探测手段的发展，除了常规资料，还有通过如飞机等各种高空设备和火箭等不同类型的非常规探测手段获取的信息，这些对天气分析和提高预报质量起着非常重要的作用。必须借助电子计算机，自动处理各类数据，才能充分利用这些繁杂的气象数据分析天气***，并将各种气象要素值内插到规则的网格点上。这就是区别于人工分析的客观分析。
多项式法、逐步订正法、最优插值法等都是比较常见的初期客观分析方法，谱方法、变分方法历史悠久。四维同化是比较新的处理法，它是在对预报模式进行数值积分过程中，以任何时刻某一点或某一区域的实测资料经过适当调整，以代替该点或区域的预报值。预报模式起作各种观测资料的积分器的作用。这种方法能充分利用各种非定时观测资料和不完整的气象要素观测值。
3 大气运动的控制方程组
几乎所有的天气现象均与大气运动息息相关。大气运动必须遵循一定的流体力学和热力学定律，在数学上则表现为所谓大气运动控制方程组。数值天气预报就是用数值方法来求解这组控制方程，得出未来的气象要素场。大气运动控制方程组包括：运动方程（牛顿第二运动定律）、热力学方程（热力学第一定律）、连续方程、水汽守恒方程、气体状态方程和静力方程。这些方程在很多地方都可以看到，在此不做赘述。
4 数值预报模式中的物理过程
在气象数值预报中，有2个问题必须要解决，要有一个好的描述大气运动的数学方程组，要有较好的数值求解方案。这些方程组主要是要能较好地描述大气中的一些基本物理过程，如：地形影响、扩散和摩擦、辐射、降水、下垫面感热和水汽输送等。
以上这些物理因素对于气象数值预报是非常重要的。有人用原始方程组模式对数值预报中各种因素所起的误差做了分析，其中物理因素所引起的预报误差占有相当大的比重。当然，由于对数值预报所要求的预报时效长短不同，对这些因素的考虑也有侧重。比如，辐射、下垫面加热，由于他们在短期内的作用并不十分显著，计算量也较大，对短期预报可以不考虑，但对于中期预报则不可忽略。不同的数值模式，这些物理过程的处理方案也不完全相同，有的精细，也有的简单。对它们处理的繁简与计算机条件，模式的结构和要用此模式达到的目的都休戚相关。下面简要介绍一些主要的物理过程：
4.1 地形的影响
地形对大气运动的影响主要表现为热力作用和动力作用。它对各种尺度的波动都有显著的影响。如研究表明，北半球1月份50kPa平均高度场上，全球呈三槽三脊。这种环流形势的特点与地形作用有着密切的关系。
4.2 次网格尺度的水平扩散
大气不断从降水、辐射等过程中获得热量，一部分变为内能或位能，另一部分转化为动能。能量的耗散机制是维持大气的能量平衡的关键。研究表明，能量的耗散主要发生在近地面的边界层和对流层顶的急流附近。数值模式中次网格尺度的运动所引起的涡旋扩散反映的是这种耗散过程。但是在差分方程中次网格尺度的运动已经不存在，如何处理大气中实际存在的这种次网格尺度的涡旋扩散呢？一般认为，扩散主要出现在3个方向：2个在水平方向，1个在垂直方向。
4.3 动量、感热和水汽的垂直输送
运动着的大气和下垫面相互摩擦，消耗着大气的能量，因此，下垫面可当做一个大气能量的耗散机构。下垫面向大气输送热量和水汽，起到一个能源作用。这种对大气供给和耗散能量的过程主要发生在近地面一层大气里。这层1～1.5km厚度的大气，一般称为行星边界层。该层以上的大气称为自由大气。
边界层大气的运动不仅复杂，尺度也很小，它受下垫面影响很大，对上层大气的影响也很大。一般情况下，它既能向上输送热量和水汽，又能向下输送动量。动量的垂直输送又称为摩擦。水汽和热量的垂直输送能将下垫面的水汽和感热传给大气，而这种输送量的大小则取决于边界层内的大气结构。
5 结语
气象数值预报经过几十年的发展，已成为天气预报的主流方法。它比传统的以天气***、预报员经验为主的预报技术，更具有准确、客观、迅速等特点。该技术的核心思想是列出一组大气运动控制方程，从任一已知的初始状态出发，考虑各种物理因素的影响，利用现代电子计算机做辅助运算，达到预报未来天气状况的目的。
世界上越来越多的部级气象中心都拥有以原始方程预报模式为核心的现代化数值预报业务，预报水平也在不断提高。虽然大气运动仍有很多的不确定性有待研究，气象数值预报技术还有待加强，各种模式也仍有待改进，但是有理由相信，经过气象人的努力，这些都终将实现。
参考文献
[1] 朱抱真，陈嘉滨.数值天气预报概况[M].北京：气象出版社，1986.
[2] 伍湘君.GRAPES高分辨率气象数值预报模式并行计算关键技术研究[J].国防科学技术，2011.
[3] 朱抱真.数值天气预报的历史发展和现状[J].气象，1983（06）.
[4] 吴辉碇.资料处理和客观分析[J].气象，1983（07）.
[5] 张道民.数值天气预报模式中的物理过程[J].气象，1983（11）.
作者简介：周华（1963-），汉族，福建平潭县人，大专，助理工程师，从事天气预报工作。