数值天气预报基本问题及展望讲解
《2024年数值天气预报业务模式现状与展望》范文
《数值天气预报业务模式现状与展望》篇一一、引言随着科技的不断进步，数值天气预报已经成为现代气象业务的核心组成部分。
数值天气预报通过运用先进的数学模型和计算机技术，对大气环境进行模拟和预测，为人类提供准确的天气信息和预报服务。
本文将重点探讨数值天气预报业务模式的现状及未来展望。
二、数值天气预报业务模式现状1. 技术发展当前，数值天气预报技术已经取得了长足的进步。
高分辨率的数值模型、先进的计算机技术和丰富的数据资源为数值天气预报提供了强有力的支持。
这些技术手段使得天气预报的准确性和时效性得到了显著提高。
2. 业务模式在业务模式方面，数值天气预报已经形成了以国家级气象中心为核心，地方级气象台站为支撑的体系。
国家级气象中心负责建立和维护高精度的数值天气预报模型，提供基础数据和算法支持；地方级气象台站则根据当地实际需求，对模型进行本地化调整和优化，提供更为精确的预报服务。
3. 数据来源数值天气预报所需的数据主要来自于卫星遥感、地面观测站、雷达观测等多种手段。
这些数据经过处理和整合后，被输入到数值模型中，为预报提供基础数据支持。
此外，随着大数据和人工智能技术的发展，越来越多的数据被用于数值天气预报，如社交媒体数据、气象衍生数据等。
三、数值天气预报业务模式的挑战与机遇1. 挑战尽管数值天气预报已经取得了显著的进步，但仍面临一些挑战。
首先，数值模型的精度和稳定性仍有待提高，尤其是在极端天气事件的预测方面。
其次，数据资源的获取和处理仍存在一定难度，尤其是在偏远地区和海洋区域。
此外，随着气候变化的影响，天气系统的复杂性和不确定性也在不断增加，给数值天气预报带来了新的挑战。
2. 机遇面对挑战，数值天气预报业务模式也迎来了新的机遇。
首先，随着计算机技术的不断发展，高分辨率的数值模型和更高效的算法将进一步提高天气预报的准确性和时效性。
其次，大数据和人工智能技术的发展为数值天气预报提供了更多的数据资源和智能分析手段，有助于提高预报的精度和可靠性。
《数值天气预报 》复习总结
引言数值天气预报的定义在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动方程，由已知初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态数值预报模式的主要内容初始场（资料同化）数值天气预报模式需要一个初始时刻的状态作为初始场，而初始场一般由常规观测资料和雷达、卫星及其他费常规观测资料同化而成。
动力框架(数值方法)基于七个基本方程，根据预报的时空尺度和预报对象对方程组进行简化，使用不同的差分方式进行数值计算。
物理过程(参数化)数值模式基于动力框架通过物理过程参数化来描述不同尺度的天气过程。
其中对参数化过程的优化和改进对数值模式预报准确率的提高起着关键的作用。
数值天气预报的特点种类繁多；空间、时间分辨率高；时空分布的连续性好；预报误差特征极其复杂促进数值预报迅速发展的因素探空技术及先进的探测技术的发展；通讯技术的发展；动力气象和天气学的发展；计算机和计算技术的发展数值预报的主要挑战次网格尺度的物理过程由于大气是一种具有连续运动尺度谱的连续介质，故不管模式的分辨率如何高;总有一些接近于或小于网格距尺度的运动(见数值天气预报常用计算方法)，无法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为次网格过程。
非线性方程的数值解虽然在适当条件下，可以证明某些线性微分方程组的稳定格式的数值解，能够近似表示相应的微分方程组的真解，但对于非线性微分方程来说，两种解却可能不完全一致。
已有证据表明虽然有时候数值解是计算稳定的;但却与真解(这是特殊情况，真解是已知的)毫无相似之处。
初值形成问题它包括初值处理、卫星资料的应用和四维同化等问题，这些问题至今尚未很好解决。
误差(1)分析误差:目前，观测系统并不完全按照天气预报的要求建立的，而且观测资料包含各种不同类型、不同分布密度、不同观测频率和观测精度。
基于这种不完善的观测系统基础，所得到的资料同化分析场与真实大气之间必然存在差异，这种来自分析场上的误差导致了模式计算上的误差。
(2)模式误差:模式的水平和垂直分辨率不够精细，物理过程参数化不够完善，难免有这种或那种的假定或简化，很难完全描写真实大气特征而造成误差。
数值天气预报
数值天气预报数值天气预报(numerical weather prediction)是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。
内容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，很难用手工或小型计算机去完成，因此，必须要有大型的计算机。
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)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ρ以及比湿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，这样，预报量的数目和方程的数目相同，因而方程组是闭合的。
发展历史国际全世界已有30多个国家和地区把数值天气预报作为制作日常天气预报的主要方法，其中不少国家和地区除制作1~2天的短期数值天气预报外，还制作一个星期左右的中期数值天气预报。
中国中国于1955年开始摸索作数值天气预报，1959年开始在计算机上进行数值天气预报，1969年国家气象局正式发布短期数值天气预报，以后逐步改进数值预报模式并实现了资料输入、填图、分析和预报输出的自动化。
《2024年数值天气预报业务模式现状与展望》范文
《数值天气预报业务模式现状与展望》篇一一、引言随着科技的进步和计算机技术的飞速发展，数值天气预报已成为现代气象业务的重要组成部分。
数值天气预报通过运用先进的数学模型和大量的气象观测数据，对大气环境进行数值模拟和预测，为人们提供了更为准确、及时的天气信息。
本文将就数值天气预报业务模式的现状及未来展望进行详细阐述。
二、数值天气预报业务模式现状1. 数据获取与处理数值天气预报的基础是气象观测数据。
目前，各国气象部门通过地面观测站、气象卫星、雷达等设备，实时收集大量的气象数据。
这些数据经过预处理和质量控制后，被用于数值天气预报模型中。
此外，随着大数据和人工智能技术的发展，数值天气预报还充分利用互联网、社交媒体等渠道获取更多元化的数据资源。
2. 数值模型建立与应用数值天气预报的核心是建立气象学上的数学模型。
这些模型通过对大气环境的物理过程进行数学描述，实现对未来天气的预测。
目前，国内外气象部门广泛使用的数值模型包括全球气候模型、区域气候模型、中尺度气象模型等。
这些模型在不断提高预报精度的同时，也更加注重对复杂天气的模拟和预测。
3. 业务运行与服务平台数值天气预报业务需要一套完善的运行和服务平台。
这包括高性能计算机、数据处理系统、通信网络等基础设施，以及在线预报服务平台、预报产品制作与发布系统等软件系统。
这些设施和系统为气象部门提供了强有力的技术支持和服务保障。
4. 预报产品制作与发布基于数值天气预报结果，气象部门制作各种形式的预报产品，如天气图、预报图表、文字说明等。
这些产品通过电视、广播、互联网等多种渠道，及时向公众发布。
此外，针对不同行业和用户的需求，气象部门还提供定制化的预报服务。
三、数值天气预报业务模式的未来展望1. 更高精度的预报模型随着计算机技术的不断进步，数值天气预报模型将更加复杂和精细，能够更好地模拟和预测大气环境的物理过程。
这将进一步提高天气预报的精度和可靠性。
2. 大数据与人工智能的深度融合大数据和人工智能技术将为数值天气预报提供更多的数据资源和智能分析手段。
数值天气预报的基本原理
数值天气预报的基本原理数值天气预报是基于数学模型和现代气象学理论实现的一种预报方法，它的基本原理主要包括以下几个方面：一、数值模型的建立数值模型通常会将大气划分成网格，通过对每个网格的物理方程进行离散化、数值求解，来模拟大气在不同高度、不同时间的物理过程。
其中，物理方程通常包括质量、能量、动量守恒方程等，而数值求解采用的是数值计算方法，如有限差分、有限元等。
二、数据输入和处理数值预报需要大量的气象数据来提供给数值模型，包括观测数据和数值预报资料。
观测数据主要来自气象观测站、卫星遥感等，而数值预报资料则包括历史数据、其它数值预报模型的预报资料等。
这些数据需要进行质量控制、插值等处理，以提高预报的准确性。
三、初始化初始化是对数值模型的第一次运算，利用已有的观测数据和预报数据，对数值模型进行初始值设定，以便预报未来的天气状况。
初始化中涉及到的要素包括气压、温度、湿度、风向、风速等。
四、数值预报在数值模型完成初始化之后，便可以进行数值预报，预报的时间可以从数小时到数天不等，具体预报时间由模型的运算能力和实际需要而定。
预报的过程中，数值模型将各个网格中的数值连成数列进行求解，最终预报出各种气象要素的空间分布和时间变化。
五、后处理数值预报完成后，还需要进行后处理以制作出直观有效的预报图，为大众提供使用。
所谓的后处理包括对预报数据的插值、网格剖分、等值线绘制等等。
预报数据的直观展示是数值预报实际应用中不可缺少的环节。
总之，数值天气预报以其高准确度、快速更新的特点，成为了现代气象预报的重要方法之一。
在未来，随着大数据处理和人工智能等技术的发展，相信数值天气预报仍将有更加广阔的应用前景。
数值天气预报数值天气预报复习.docx
数值天气预报第一章1、名词解释数值天气预报：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。
初始条件：初始条件就是初始时刻各因变量(即气象要素)的空间分布。
其一般形式为u=u(x,y,z,O) v=v(x,y,z,O)t=0, w=w(x,y,z,O)p=p(x,y,z,O)T=T(x,y,z,O)边界条件：边界条件就是所研究区域的大气边界上气象要素应满足的条件。
研究全球范围的大气运动，如果大气内部各气象要素都是连续的，则只需给出大气的下边界条件和上边界条件；如果大气内部存在不连续面，则还需给出内边界条件。
尺度分析:所谓尺度分析就是根据某种类型运动的特征尺度来估计基本方程组中各项数量级的大小，从而使方程组得到简化的一种方法。
特征尺度：物理变量的特征尺度是指某种类型运动所占据的空间范围、维持的时间、各场变量及时空变化的典型值。
大气模式：2、问答四种坐标系的优缺点？第二章1、名词解释地图放大因子：映像比例尺m是映像平面上的距离与地球表面上相对应距离的比值，称之为地图放大系数或地图放大因子。
正形投影：投影光源位于球心，映像面为圆锥面，映像面圆锥角为a (0<a<180),标准纬度为<Po 2、问答特点% —- *第二早1、名词解释平滑：所谓平滑就是用某点周围若干点的值进行加权平均来代替该点的值，经过这样处理的物理量场可以衰减或者滤掉短波分量。
2、问答什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性？它们之间的关系如何？答：截断误差是否随着网格距和时间步长趋于零而趋于零，称为解的收敛性问题。
舍入误差是否随着网格距和时间步长趋于零而在整个求解区域内保持有界，称为解的稳定性。
相容性、收敛性和稳定性之间的关系，即为克拉斯等价定理：对于一个线性微分方程的适定初值问题，若其差分方程和微分方程是相容的，则稳定性是收敛性的充分必要条件。
数值分析在气象学中的应用例题和知识点总结
数值分析在气象学中的应用例题和知识点总结气象学是一门研究大气现象和过程的科学，其目的是理解和预测天气和气候的变化。
在气象学的研究和实践中，数值分析方法起着至关重要的作用。
数值分析能够帮助气象学家处理大量的观测数据、模拟大气的物理过程，并做出准确的天气预报和气候预测。
本文将介绍数值分析在气象学中的一些应用例题，并总结相关的知识点。
一、数值分析在气象学中的应用例题1、天气预报中的数值模式天气预报是气象学中最常见的应用之一。
数值天气预报模式通过对大气物理过程的数学描述和数值求解，预测未来一段时间内的天气状况。
例如，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的数值模式就是世界上最先进的天气预报模式之一。
在数值天气预报模式中，需要求解大气的运动方程、热力学方程、水汽方程等偏微分方程组。
这些方程通常非常复杂，包含了各种物理过程，如对流、辐射、湍流等。
数值分析方法如有限差分法、有限元法等被用于将这些偏微分方程离散化为代数方程组，然后通过数值求解得到大气状态的预测值。
2、气候模拟中的数值实验气候模拟是研究气候变化的重要手段。
通过建立气候模式，模拟大气、海洋、陆地等多个圈层的相互作用，可以研究不同因素对气候的影响。
例如，为了研究温室气体排放对未来气候的影响，可以进行一系列的数值实验。
在这些实验中，改变温室气体的浓度，然后运行气候模式，观察气候变量（如温度、降水等）的变化。
数值分析方法在气候模拟中不仅用于求解方程，还用于处理大量的数据和进行模型的评估与验证。
3、大气污染物扩散的模拟大气污染物的扩散是一个复杂的过程，受到大气流动、扩散、化学反应等多种因素的影响。
数值分析方法可以用于模拟大气污染物的扩散过程，为环境保护和污染控制提供科学依据。
在污染物扩散模拟中，通常使用的数值方法包括拉格朗日方法和欧拉方法。
拉格朗日方法跟踪污染物粒子的运动轨迹，而欧拉方法则在固定的网格上计算污染物的浓度分布。
通过数值模拟，可以预测污染物在不同气象条件下的扩散范围和浓度变化，为制定污染控制策略提供支持。
数值天气预报中的数学模型及其优化
数值天气预报中的数学模型及其优化随着科技的不断发展和应用，天气预报在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。
而数值天气预报则是现代天气预报中最为常用的技术手段之一。
其通过数学模型对大气环境进行仿真，以预测未来一段时间内的气象变化。
本文将探讨数值天气预报中的数学模型及其优化，以期更好了解数值天气预报的基本原理。
一、数值天气预报的基本原理数值天气预报通过模拟大气环境的变化来进行气象预测。
在物理学和数学上，天气可以被看作是一系列的非线性动力学系统。
在数值预报中，这些动力学系统被称作“数理模型”（Numerical Models）。
通常情况下，一个数理模型会考虑一个特定的气象要素（例如温度、湿度、风速、气压等）。
数值模型通过设定一组初始状态（初值）并从这样的初始状态开始模拟，以预计气象要素未来的变化（预报）。
最终模拟的结果可以根据时间和空间分布图来呈现，这样的结果被称作“数值天气预报”（Numerical Weather Prediction）。
二、数学模型在数值天气预报中的应用数学模型是数值天气预报的基础，它主要由天气动力学、水文学、热力学、辐射学等学科交叉而成，以数学语言描述了气象要素的变化和它们之间的相互作用规律。
数学模型可以分为两种类型：大气动力学模型和物理气象模型。
1、大气动力学模型大气动力学模型考虑大气要素的运动和变化规律，通过一定的数学手段（如常微分方程组）数值求解描写大气运动过程的数学方程来计算大气系统的状态。
其中大气运动过程的方程通常包括气体的状态方程、大气运动的守恒方程以及能量平衡方程。
工作组Competition Project于1985年发起了一项实验，对大气环流进行了模拟和实验，结果表明数值预报的准确性正在逐年提高。
2、物理气象模型数值天气预报中还需要考虑到气象要素之间的相互作用，物理气象模型就是在考虑大气动力学的情况下，对其他气象要素和大气动力学之间相互复杂的影响进行定量化描述，并通过数学语言把它们描绘成一系列的方程，然后在计算机上进行模拟计算。
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• 2000年以来,在科技部“十五”国家重点科
技攻关和“973”国家重大基础研究项目经
费支持下,中国气象局组织中国科学家自主
研究开发的多尺度通用数值天气预报系统
。
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基本问题、历史及展望
三份重要文件
1.中国气象局《气象科技创新体系建设指导 意见（2014-2020年）》2014.10.30
2.中国气象局《国家气象科技创新工程（ 2014—2020年）实施方案》2014.10.30
基本问题、历史及展望
数值天气预报基本问题、 及展望
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基本问题、历史及展望
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Outline
0. 国内现状 1. Basic Concepts of NWP（基本问题） 2. Brief History of NWP（发展历程） 3. Operation of NWP and The Future
• 气象教育历久弥新 • 学科建设与人才培养面临挑战：
天气预报、数值模拟、大气化学、地球 观测、人工影响天气等方面仍有不足
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基本问题、历史及展望 1.1 Basic Concepts of NWP
(1) What is Numerical Weather Prediction? (2) What are the main components of NWP?
GRAPES-Meso 对中国区域的降水进行短期（60小时以内）预报，
如降水发生区域、降水强度、降水出现时段等
台风模式 专门针对发生在西太平洋-我国沿海的台风，进行其 中心位置、移动路径的中短期（96小时内）预报
中期T213 集合预报
对未来1-10天，特别是第5-10天期间、全球大尺度环
流和大范围降水发展演变的可能性（即概率）进行预
北京地区中尺度模式系统 华北地区中尺度模式系统（HB-MM5）
NMC中尺度模式系统 森林火险气象条件预报(模型)
森林火险气象等级预报系统 中期集合预报系统 T106L19/32成员 城市空气质量预报系统(47个城市)
沙尘数值预报系统 紫外线等级预报系统 全球台风路径预报系统
海浪数值预报系统
计算机 CRAY-C92 CRAY-C92 DEC-ALPHA
3.教育部、中国气象局《关于加强气象人才 培养工作的指导意见》2015.2.3
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基本问题、历史及展望
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基本问题、历史及展望
• 中国气象局：2014.10.30
• 《气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）》《 国家气象科技创新工程（2014—2020年）实施方案》
明确的三个任务： 1.高分辨率资料同化与数值天气模式 2.气象资料质量控制及多源数据融合与再分析 3.次季节至季节气候预测和气候系统模式
SP-2 神威-1
CRAY-C92 IBM-SP 神威-1 神威-1
DEC-ALPHA IBM-SP IBM-SP IBM-SP
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基本问题、历史及展望
主要数值天气预报业务体系 各系统的侧重功能
模式预报的主要侧重点T39L60预报1-10天内全球大尺度环流的演变、大范围降水的
发生发展等，如高空槽脊、副热带高压，地面高、低 气压和冷、暖锋面，大范围雨带等
报
中尺度(基 预报京津及其它地区气象要素短时间（48小时）的
于WRF,27-9- 连续变化，如气温、风、相对湿度、降水量等间隔3
3km)
小时的预报
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基本问题、历史及展望
到目前为止
• 我国的业务数值预报模式系统仍然是以 引进国外为主！
• 我国天气预报所用的数值预报产品仍然 以国外的模式结果为主！
• 我国自主发展的数值模式中较少有针对 我国特殊气象问题的物理过程！
时间 1996.5 1998.x 2001.9 1998.6 2000.8 2004.6 1999.x 2004.9 2000.3 2001.6 2004.3 2004.6 2004.6 陈耀2登005.x
业务模式系统 区域台风路径预报系统（MTTP）
核污染扩散传输模式系统 核污染扩散传输模式系统(HYSPLIT4)
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基本问题、历史及展望
1.1 Basic Concepts of NWP
(1) What is Numerical Weather Prediction?
Numerical forecasts are generated by running computer models of the atmosphere that can simulate the evolution of the atmosphere over the next few hours or few days.
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基本问题、历史及展望
一个重要事件
• 2015.4.20：教育部、中国气象局成立“中 国气象人才培养联盟”
• 气象领域高等院校（气象类学院）、科研 院所、企业以及国家级气象业务单位、省 （自治区、直辖市）气象局均可申请加入 联盟。
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基本问题、历史及展望
宇如聪：解读（2015.4.23）
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基本问题、历史及展望
教育部、中国气象局《关于加强气象人 才培养工作的指导意见》2015.2.3
一、优化气象相关专业和人才结构。办 好大气科学、应用气象学、大气物理与大气 环境等学科专业，加强数值天气预报、大气 探测、公共气象服务、气象防灾减灾等方向 的人才培养。
支持行业特色高校统筹招生计划增量与存 量，适度扩大大气科学类专业本科生和研究 生招生规模。
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基本问题、历史及展望
数值预报的应用日益广泛：
中、短期天气预报 气候数值模拟、气候预测和气候变化 中小尺度数值模拟
天气预报时间分类
0-2小时 临近预报 2-12小时 甚短期预报 12-48小时 短期预报 3-10天 中期预报 10天以上 长期预报
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国家气象中心数值预报最近1基0本多问年题、的历发史及展展望
• 我国数值模式的资料同化能力很低！
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基本问题、历史及展望
GRAPES
• 中国气象局新一代数值天气预报系统的英 文名字为“GRAPES(Global／Regional
Assimilation and Prediction System)”—— 全球区域同化预报系统,简称“GRAPES”系 统。