青春天气预报，绵阳天气预报15天

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青春天气预报

天气预报已由经历体验发展成物理数学理论和超级计算的繁杂而严厉的巨型系统工程了。作文从物理学观念回首了他的发展进程，讨论了他以后的发展，并将他拓展到了愈加庞大和繁杂的天气与生态环境体系的预料和调控疑的建模，以及人-工影响气候的项目理论疑呢。这一些是跨学科的疑，要地科学.数学.物理学界以及化学界和生物学界一同合作研究呢。关键词 数值天气预报，经历体验，准地转形式，原始方程形式，集合预告，四维同化

01 气候和大方状态变量

人类生活在地表面以上.大方之一，其行动与大方的状况和发生于大方中的现象息息相通啦。大雨.云雷.晴阴.冷暖等现象，就人民最灵敏和关注的对象，常简称为气候，或曰气候，或曰天气现象啦。观察和研究这一些现象就变成了“气象学吧”(meteorology)，他既古老，又年纪轻啦。气候本来就大方状况及其改变的种种反应，而用物理学的言语来定意大方状况，就得用“大方状态变量呀”，或曰气象要素呢。丈量和研究这一些变量及其变化规律就变成了当代的“大方科-学呀”(atmospheric science)呢。“气象学了”和“大方科-学呀”是同出而异名，同是一门科-学，但偏重面和研究办法有所区别，且后者是前一个的拓展和深入呢。

说“天气现象呀”，对比直观，也是形象思维及其表明啊；而从物理学上说“大方状态变量及其改变呀”，则不全部是直观，对比剖析和必需定量表明了。

在这边还要交待另2个词语“气候呀”和“天气了”呢。这二词在日常生活中常共用，指的都是大气现象(“气候了”)的表现，“象呀”与“候了”语意相同啦。但是“科-学吧”的知识是“分科呀”的，各有其研究对象的范畴，令有所属，因此在气象学或大方科-学中，“气候吧”和“天气了”就有不一样内蕴，两者定意不一样，不可相混啊；“气候了”(weather)指的是个人的大气现象，是指如一天内等短期的现象啊；而“天气吧”(climate)指的是批量个人在较长时段(如30天.1个季候.1年等)的总计均匀状况啦。

气象学和大方科研的1个重要对象是“天气预报吧”(weather forecast)和“天气预料吧”(climate prediction)呢。这两者同是预料以后的事情，但时限不一样了。现如今的天气预报业务是从初始每刻起，预告后面的天天的气候，现在最长已可达七天(即所谓“中期天气预报呀”)，力争可达半个月了；而“天气预料呀”试运行的业务是预料下个月或下1个季候(3个月)的均匀状况，第二个季候的均匀状况(跨季候天气预料)，下半年或下一年的天气变化趋势，等呢。这个文章下面所讲的大多数针对“天气预报了”，只略微触及“天气预料了”，由于现在天气预料业务还只位于试运行阶层，尚不稳重呢。

或许我们会，第十天后(或半月后)至下个月前这一段时间的气候怎么样预告或预料呢？这是个中心空白地带啦。就现在科-学水准来讲，真是“尺有所短，寸有所长呀”，两边都够不着呢。哪一些属性是可预料的，哪一些是不可预料的吗？有待未来摸索呢。

02 观天和看天气图——经历体验的气象预报

人民观天，目见风卷云涌.云收雨散，累积肯定经历体验，可明白一地的某一些气候改变的规律，以至某地与某外地域或宽大地域的气候的关联性，然而在肯定程度可以进行本地的天气预报，以至可以较精确预告啦。最闻名的按例就《三国演义》中的深刻故事诸葛亮借东风，预料到有西风来到和西风致雾，这是前科学时代的天气预报——凭个人的经历体验了。

到了上世纪，已创造和运用了气候仪器来定量丈量大方状态变量，如风速(矢量).气压.温度.湿度(大方中的水汽含量).辐射通量，等，只管依然保存有些目测行业啦。因此气象学开始进去“科学时代了”呢。十分是无线电的成功与批量运用，使得各个地方的气象观测数据可以适当的时候(准时，real time)汇总到1个中心，绘成“天气图呀”(weather map或synoptic map)，看天气图就可掌控气候的三度空间的构造呢。由此人民发觉了气候体系(weather system)，明白各个地方的气候本来是与占据该地域的气候体系密切相关的，比方起风.降雨.冷暖等相应于“锋面气旋呀”(frontal cyclon)这一气候体系的对应部位，晴空大多数与“反气旋吧”(anticyclon)相关联呢。此中“气旋了”和“反气旋了”分别是指气流反时针方位和顺时针方位旋绕的涡旋呢。图1交出的是锋面气旋的构造示意图啦。

图1锋面气旋示意图(引自Palmen文，1950年)(实线是地上上等压线，虚线是高空流线，箭头表示风向，粗黑线为锋面(冷暖空气分界线)，带▲者为冷锋(冷气推动的先锋)，带

因此天气预报踏进了“科学时代吧”，人民以为预告气候一开始的时候要预告气候体系的移-动和硬度改变(即所谓天气形势)了。累积了肯定经历体验，并简易应用有些物理规律(重要是流体力学的和热力学的)，就可以经过看天气图和作有些简易计算来进行短期天气预报呢。这一种天气图法的预告是建设在科学分析基础上，但在太大程度上还依赖于“预报员了”凭经历体验做出客观判定啦。这一种办法是上世纪(尤为1980过年前)的重要办法，迄今仍在批量运用呢。

03 根据物理学准则的主观天气预报——数值天气预报及其蠢动期

人民认得到，天气预报一开始的时候要预告气候体系的演化，很大自然就会想到从原则上说，预告疑就可归结为加进肯定边界条件和初始条件的斜压流体力学方程的求解疑，即求解数学物理方程呢。假如能完成他，则天气预报就主观的和定量的，可以不以经历体验为主而回升到科-学理论啦。

在上世纪初，那样的斜压流体力学方程式大体上已可列出来，可是很繁杂呢。这是因为大方有可压缩性，内能与动能互相转化，密度.压力和气温三者包括于气体状态方程中，还有水汽相变.辐射能传输等种种繁杂物理经过啦。他们组成了一组繁杂的并且是非线性的偏微分方程组组啦。且不论此中的不少物理经过还有待讨论，单就求解非线性偏微分方程式这一个数学疑来讲，那时还没有公式化的求解办法，气象学(也是物理学)导师V. Bjeckness[1]只好说让天主去积分(求解)他吧呢。

终究实际世界中很多的数理方程大多数是非线性的，必需运用他处理现实疑，但没有现成的求解办法啦。因此数学家回到了微积分的本原，用有限差分来相似微分，用议和来相似积分，把求解微分方程成为算术运算经过，制造出“数值求解呀”法了。学识渊博.能文能武的Richardson灵敏而胆大地试探用他来求解斜压流体力学方程啦。她的书(1922年发行)冠名为Weather Prediction by Numerical Process[2]，由此催生了之后的术语“数值天气预报呀”(numerical weather forecast)一词，只管科-学的天气预报应当由求解对应的数理方程而作出，这个是疑的物理实质，数值求解不过1个办法疑了。

作为按例，Richardson将欧美地区分成网格，将气象站的观察数值内插到网格点上，随后对空间和时间做差分运算，按肯定步长一步步计算下来啦。根据那时的计算要求，她宣称给她一万个计算员，日夜不停地计算24小时，可以算出以后一天的气候，即作预告赶得上气候改变的时速，后来人称为Richardson愿望了。可惜Richardson个人小规模的计算实验却严-重地失败了，他算出的6小时地上气压改变大得奇异呢。这使气象界人士对这一种办法失去希望之极，在非常长期内视为畏途啦。但无论如何，数值天气预报作为新东西，已蠢动于肚中，不过还须待以时间且还须通过灾难磨练后才可能出生呢。

04 滤波形式和准地转形式——数值天气预报的初生

Richardson实验失败的原因，即使是因那时的观测站太少，不足以供应三度空间的初始场啊；并且还在于偏差太大(无论是观察值或是插值到网格点上的值)，此两者是显而易知的呢。之后人在再作清点时，发觉她还在物理思索上和计算数学上犯了两重严-重的错误呢。

从物理上说，像气候体系这类相比慢慢.时间尺度以天为改变的大幅度涡旋运-动，其重要的作用力是重压.科里奥利力(地转倾向力)和气压梯度力，而这三者是位于相似均衡状况的，这个是气象学上作为准则来谈的规律性，即准静力(quasi-static)均衡和准地转(quasi-geostrophic)均衡呢。惯性力要比科里奥利力约小1个数量级呢。除涡旋外，大方运-动中还包括有像声波.湍流.阵风.对流和重压波等频次由秒级到小时级的相比迅速改变的经过，他们就所谓的“杂音呀”(noises)，与反应气候体系改变的“信-号吧”丛生，他们也出现在上述初始场的偏差之一呢。因为上述三力的准均衡干系，反应气候体系改变的惯性力部分一开始就较小的，而观察偏差等激起出的虚伪且强盛的“杂音吧”与之相混，就掩饰了气候体系的改变信-号了。

用物理学观念剖析可知，要计算迅速的运-动经过应选取小的时间步长，而计算慢经过则可用比较大时间步长，即对各种运-动的计算来讲，时间步长与其对应周期(或更精确地说是特点时间尺度)之比应当是大概一样的1个分数，这就之后研究得出的计算平稳性判据之中的一个呢。假如选取同一个时间步长，结局是大大扩大了快经过的计算误差了。一步一步推下去，便获得虚伪的大振幅的迅速运-动，吞没了慢经过运-动改变的短信呢。

Richardson那时既未留意到大方运-动中的多时间尺度特点，也未留意到时间步长的约束，犯了两重严重错误，其预告结局就只能是虚伪而强盛的杂音，没有意义啦。

当人民认得到这一些以后，在快速电子计算机出生以前，人民得办法先将大幅度涡旋运-动分离出来单独计算，这就“滤波呀”(filtering)观念呢。在这边，充分利用上述三力的准均衡是主要的，因此建设了对应的逐步相似法，低级相似是三力均衡，即所谓的“地转风吧”(geostrophic wind)，再由地转风计算惯性力，并与热力学方程联立，获得“准地转形式吧”(quasigeostrophic model)，他的确只保存了涡旋运-动呢。此法于1940年由Kibel’[3]指出，她获得了太大的成功，独自一人利用手摇电脑工作了6小时就实现了苏联欧美部分的24小时天气预报图，对比靠近实情啦。之后Kibel’著书[4]，变成了体系的理论啦。“准地转形式了”变成研究大方和海洋动力学(重要是大幅度涡旋运-动)的典型形式，并且即便在快速电子计算出现后，仍用它作数值天气预报，直到上世纪70年份了。

另1种滤波形式是1939年首由Rossby[5]指出的啦。她把大方运-动沿垂直方位对全气柱积分，并以为积分后的二维时速场是没有散度的，成为一个二维“正压涡度方程吧”(barotropic vorticity equation)，只包括有涡旋运-动呢。但是那时Rossby重要用他剖析和讨论高空天气图的大幅度长波(实为以波状气流形态出现的涡旋运-动)了。后面，Charney拟用做天气形势的预告图[6]，但直到1947年世界第一台由电子管构成的电子计算机ENIAC出生后，Charney，Fjörtoft和电子计算机之父Von Neumann合作，于1950年用他对非线性正压涡度方程积分，才获得世界上第一个由电脑做出的24小时天气预报图(图2是此中一例)[7]了。由于重申用计算方法和电子计算机，“数值天气预报呀”(numerical weather forecast)一词才被正式肯定，其名称掩饰了天气预报的流体力学办法，只管后者是更为反应实质的啦。

图2 世界上第一个用电子计算机做出的24小时数值天气预报图(实线为500 hPa(大概为高空5 km处)位势高度等值线啊；虚线为涡度等值线)

自1954年起，数值天气预报在美国（America）成为了平常业务，供天气预报员依照呢。从这个时候起，所用的大多数已不再是正压却是斜压位涡度方程(baroclinic potential vorticity equation)，本来，他完完全全就准地转形式啦。

05 斜压流体力学原始方程形式——数值天气预报的青春

滤波形式捉住了气候体系重要是涡旋运-动这一个重心了。就太大范畴的均匀而言，惯性力的绝对值的确比科里奥利力的绝对值小1个量级，但在有一些(关键性的)局部地区两者以至是非常的，准地转形式精度不能够啦。此外，被滤去的像重压惯性波等“杂音吧”对真切大方中的涡旋运-动有打扰，且与之有相互作用，事实上是不可以简易分离出来且不思考他们的用处的了。更何况像重压波和对流等在局部地区有的时候还可形成猛烈的天气现象，故用滤波形式做出的数值预告只能到达可供天气预报员依照的水准啦。要使数值天气预报成为天气预报的重要根据，还得回到运用斜压流体力学原始方程组组，他之后被人民称之为“原始方程形式了”(primitive equations model)啦。要完成他，在理论.计算方法和计算技术上都要通过太大的跨步以至是飞越呢。

一开始的时候，在真切的大方中，尽管老是以大幅度涡旋运-动及其“演化经过吧”(evolutionary process)为主，大体上可以“地转风吧”来相似了；但其它形状的运-动(以风与地转风的误差(简称“地转误差吧”，ageostrophic wind)为重要特点)又老是不停形成呢。是什麽原因使准均衡状况老是维持着吗？这就所谓的“适合经过吧”(adjustment process)了。理论分析表明“适合经过呀”的物理机理是局地源区形成的震动经过迅速的能量频散(dispersion)弥散到宽大空间，然而保存下涡旋运-动，且在科里奥利力用处下趋于准地转风均衡状况啦。而“演化经过呀”的物理机理则重要是涡旋经过较慢的能量频散经过而变形，并以质点本身时速传送导致呢。

在求解原始方程经过中，上述这二经过必需获得准确反应，不可以被初始场的偏差和计算样式的偏差所玷辱，不然就会获得Richardson的失败，故计算样式必需在仔细思考物理机理的指点下设计呢。可以相像，假如计算样式能保证种种波的相速和群速算得好，这一个目标就能到达呢。因此，有以下3种办法第一种是时间步长获得非常小，保证对最快的波能满足要求，这么对其他的波也就能满足要求了啊；第二种是对不一样类别的运-动(尤为是波)选取不一样的时间步长，即所谓的分解样式(split scheme)了；第三种是所谓半隐式差分样式(semi-implicit scheme)，对涡旋运-动来讲，能满意计算平稳性判据(criteria of computational stability)和较精确的相速和群速的请求，但对激起快波的项和快波随时间改变的项则选取隐式时间差分样式(implicit scheme)，使哪些不大主要的快波更快弥散，更加快地到达准均衡状况，但不阻碍涡旋运-动的演化啦。以所需的计算时间来讲，第一种最多，第二种次要，第三种最省了。这3种办法迄今都依然在有用地运用了。

另一点要思考的是对于计算经过中偏差的积累疑啦。既然大方运-动中有准均衡，就有一些力大致相对等而相消，比方设方程为A+B+C+D=0，此中B，C，D都是大项，但大致互相对消，余额为小项，而反应演化的项A与此余额对消啦。在电脑有效数字不多的年代，假如不把B+C+D合起来作为一项(B+C+D)计算，而分离单独计算，并逐个与A相加，则有也许A被吞没在舍入偏差之一，而使得结局没有意思，因此怎么样运用组合率的排序也要从物理观念去思考呢。即便当代电脑的精度已非常高，但假如计算时间步数十分庞大(作天气预料尤为这样)，准平衡态计算误差的长期累积也有也许到达相当可观的田地而使预告变味了。

还有一点是，滤波形式中唯有1个变量，时间步长也相比比较大，但原始方程形式中变量是数个，时间步长又短，故一样是作24小时预告，其计算量比前一个最少高1—2个数量级啦。好在电子计算机发展快速，到上世纪60年份初就出现了大型快速电脑，在技术上为运用原始方程形式供应了要求了。

首次用原始方程形式做出现实天气预报图是作者1961年在莫斯科实现的[8](见图3)，选用的重要是半隐式差分法呢。旋即莫斯科世界气候中心将他用在平常业务啊；1966年起，美国（America）也将其运用于平常业务，但增添了大方垂直档次，空间差分样式也不一样，用的是第一种时间步长取法了。从上世纪70年份起，世界每个国就基本上运用原始方程形式了，数值预告已可赶过预报员客观的天气形势预告，展示了其优点，然而变成作天气预报所必备的了啦。

图3 用原始方程做出的天气形势和垂直时速的24小时数值预告图(黄线内为雨区啦。初始每刻为1959年11月21日03时了。“垂直时速了”是等效的量，指等压面位移的个别改变)

原始方程形式还可以较好地预告垂直时速(时速的垂直方位份量)，以至可以算出其间歇性(见图3右下图，此中四点(A，B，C，D)方位见图3上图)，这就为降雨预告供应了肯定的要求，只管还不是降水量预告本身呢。

原始方程形式还不过为天气预报供应了较好的“动力架构吧”(dynamical framework)，离预告天气现象还差别很远了。本来，在中高纬度带，大方的演化经过重要由流场本身的斜压性和绝热动力经过导致，降雨等非绝热过程是第二位的，前一个大体上决定了后者(非绝热过程)，但在不太少的情形下，后者包括的非绝热过程的反馈作用也是非常大的了。十分是在热带（注处于南北回归线之间的地带，地处赤道两侧）和中低纬度带，水汽相变经过是大方运-动的极其重要的能源呢。因此，像水汽相变.辐射能吸取和传输以及边界层的用处等物理经过，都必需往前一步计入到形式中了。同时间，纯动力经过的物理规律(即大方动力学疑)也必需往前一步深入研究，才可能处理用物理观念预告气候疑，这一些是自上世纪70年份起的主要研究课题了。

06 数值天气预报发展中指出的有些出色理论疑

6.1 形式的理智检查——数学物理基础疑

大方作为连续介质的流体，其动力学方程的每一项都是就每1个数学上的点而写出的，而且还作了肯定的相似了。这就形成了很多疑，比方单从这一些偏微分方程出发，大方的全体是否满意质量守恒.能量守恒和角动量守恒等定律呢？内能与动能和位能是怎么样互相转化的吗？热机的效果怎么样吗？所引进的相似，如薄层相似(大方的有用厚度与地直径对比十分小，在大方中各点离地心的距离可相似视为等同地直径——如他以系数的形态出现在方程中的话)，表观重压相似(重压加惯性离心力取为常数，且垂直于面)和准静力均衡相似(疏忽了惯性力中的垂直份量)等，是不是在全体上损坏了物理准则，或只改变了能量.角动量等的表达式呢？引进的相似是否相容的或自洽的吗？大方有底界而无上界(在数学上讲是在无限远方)，边界条件应怎么样提才是准确的和吻合物理准则的吗？初始条件该怎么样提法呢？等啦。作为预告疑应怎么样提才是物理上合理的且数学上也是严紧的和适定的呢？即是不是有解，解是不是惟一，和对初边值要求是不是持续依靠呢？这一些都是基础疑了。咱们不可以满意于数值预告的一时间成功，而应就上述这一些疑进行理智的检查，对分散化了的计算样式更应这样，那样才可能把数值预告建设在坚固的严厉数学物理基础以上，才可能强健地发展了。本来，在以往的某一些个别的具体数值预告形式中，不缺少有在全体上损坏物理准则的和不自洽的，以至无解的或多解的呢。

作者在现实工作中留意了这一些疑，进行了长时间研究，大多数疑大体上已交出了回[9]呢。自上世纪80年份中期起，在国内外已有很多进行理论研究的大方科学家.地流体力学(即大方和海洋动力学的共同特征疑)学家投入研究，为原始方程形式的具体形态打好了牢靠的数理基础，但有一些很抽象的理论疑还有待处理呢。

次要，大方运-动演化的基本规律也得弄清，以便认得为什么有一些气候经过能预告得好，而另一些则预告得不好啦。比方大方中有种种幅度运-动的相互作用，大方绕地轴旋绕的环流称之为带状环流(或基流)，迭加于其上的就叫做扰动，包含大方长波和气候体系了。在什麽要求下和有什么样构造的扰动是发展的呢？什么样的要求和什么样构造的扰动是衰减的呢？等，这一些都是根本规律性的基础研究疑了。

6.2 非绝热(adiabatic)物理经过

6.2.1 水汽相变和云雨(雪)物理经过的复杂性

水汽在天空疑结成为云滴(水点.雪片.冰晶)，放出出批量潜热，直-接加温本地大方，并经过分散混杂和对流运-动等往前一步加温四周的大方了；而当云滴增大后由天空下落至地上，并不把已放出的热能带走，除非他在空气中又蒸发成水汽了。在自然界大方中，不比在物理实验室中，疑结是在自然界还没有很好认得的凝结核和云滴外表上发生的，影响的原因好多，非常复杂，就连饱和水汽压与气温的干系也不可以全部依靠热力学理论拿出，此中包括了不少经历体验的改正和经历体验常数呢。尽管如此，尚可以半理论半经历体验地将水汽相变经过引进形式之一，以计算其对大方场(气候体系)的影响，但因其复杂性，公式有待往前一步改良了。

由云滴增加到雨雪形态以及变成降雨的经过更为繁杂，还须思考疑结.蒸发以及粒子在湍流.重压和电场用处下的碰并，在云中还有更繁杂而尚不大清楚的过降温水点的存在以及他与冰晶相互作用的经过，这一些均是物理学研究的对象呢。在大方科学界中到现在也只能大略思考这一些原因，故迄今尚难精确预告降水量啦。

6.2.2 辐射传输经过和云与辐射相互作用的复杂性

大方对太阳光有散射和吸取用处，这一些都可以用物理学的散射理论和量子力学进行计算，而对悬浮在大方中的粗粒子(包含云滴)的用处的计算则非常繁杂，较密厚的云顶以至可视为反射面了。大方对红外辐射的吸取和发射的计算就更为繁杂得多啦。就以纯洁的大方气体成份来讲，比方CO2和水汽(H2O)对红外辐射的吸取是由很多的吸取谱线形成的，要对每条吸取线逐个进行积分才可能获得1个谱带(依然是很狭窄的)的吸取，以至是用当代的超级计算机来计算也是十分耗时的啦。大方科学界现如今选用2种办法处理1种是利用谱带吸取的试验材料拟合的公式了；另1种是将吸取线吸取沿透过系数进行重整，将沿频次的黎曼积分变化成沿透过率的勒贝格积分呢。尤为是后者，既大为省时，又有非常好的精度(理论上说是全部准确的)，也是1个将物理疑和数学方法很好连合的经典按例了。

难做的是大方中粗粒子(即所谓气溶胶，aerosol)和云雨的存在，他们的化学成分繁杂，又与辐射有很繁杂的相互作用啦。辐射用处使他们的微物理特征(如疑结率.粒径及其谱分散)发生改变，而这又倒转过来影响辐射传输经过本身呢。这一些是直至现在数值天气预报和天气预料中最不肯定的疑，尤为是当云等为空间不平均的情形时呢。

6.3 次网格幅度经过和参数化办法

进行数值计算总要分散化，因此在空间上总会有1个可表明的最小幅度，俗称网格距(grid size)呢。小于网格距的经过称之为次网格幅度经过(subgrid processes)，他们一开始在计算形式中是没有的，但在现实大方中是客观存在的，并且多种多样，作天气预报时不得不思考了；他们以至对形式中可表明的幅度经过(气候体系，或简称大幅度经过)还有猛烈用处，故在数值天气预报中必需往前一步思考这一点呢。因此，就得运用参数化办法(parameterization)，即经过物理思考(以至是经历体验)，将次网格经过的特征及其对大幅度经过的影响用大幅度的状态变量来表明，获得有些公式，此中包含有些参数了。下面举2个著名的按例呢。

6.3.1 积云对流参数化

在好多情形下，降雨常常是由积云对流(cumulus convection)形成的，而一朵积云的水准幅度为几公里到几十公里，即便在当代的数值天气预报形式中都没法很好表明，因而要参数化处置啦。有2种经典的办法郭晓岚(Kuo H. L.)办法[10，11]和荒川(Arakama A)办法[12]了。现在运用的是他们的细化改良或混杂改良啦。

这一些参数化办法都将大幅度大方变量看做在水准方位是均一的，唯有垂直构造了。小幅度扰动在这一种环境中发生，十分是因地上不平均，总会有气块回升，若环境适合(即到达对流发展的判据)，使其所遭到的浮力大于其本身的重压时，气块就能持续回升而气温减少，到达肯定高度后，此中的水汽就会疑结成云，放出的潜热使气块气温提高而更容易回升，放出更多的热能，最后使网格内的大方加温呢。设定扰动的类别(云体形状)和取某种总计分散，就可算得网格内积云对流加温率的垂直分散啦。郭晓岚办法设云为云泡，内里平均，成云降雨的总量由大方最底层的水汽辐合量决定，没必要思考云尺寸的分散，由此获得的加温率垂直廓线很简洁，即其参数化公式重要由“水汽辐合量呀”这一个参数决定啦。荒川办法则设每朵云是相互自力的，都有相同的构造，其水准尺寸有谱分散，决定于云底的风速辐合量了。假定云的发展在一刹那即达平衡态，由此决定谱形，对云谱积分就可算出加温率曲线呢。这一种参数化办法看似更详细，但仅是有相同的云形这点就与现实不符呢。因此2种办法都留有太大的改良空间，但无论如何，都使在数值天气预报中计入积云的影响变成也许而被批量运用啦。

6.3.2 不平均云与辐射的相互作用参数化

大方中的云品种众多，按其出现的高度分，有低层云.中层云和高层云啊；按其形貌来分，有积状云.层状云.微薄的卷状云以及三者的混杂，他们的微物理特征都不相同，对辐射传输的影响也各不相同了。严-重的是，他们在1个网格内很不平均，沿高度又也许互相重复啦。他们对辐射的影响不是互相自力的，比方，当太阳光垂直下照时，要先通过上一层云的减弱，才可能到达下面1层云的顶部，经它的减弱后再向下传输，这一种影响是以乘积的形态出现的呢。但咱们没法确知次网格的云在三度空间中的分散，故要计算1个网格上的辐射量，必需按某种物理的或纯洁计算上的思考，对云分散的几何学和微物理特征作各种总计思考，然而获得次网格云与辐射相互作用的参数化提案，他由种种云的参数化.云的微物理特征参数化以及辐射传输计算的参数化提案等构成，十分复杂了。大致那样的次网格云与辐射相互作用的参数化提案就多个非线性算子的乘积，不满意交换律和分配律，各家提案各有千秋，计算获得的辐射值则有可观的差距了。因此人民试探将种种参数化拆开，再进行重新组合，用一统的计算排序和一统的编程，进行集合均匀，结局是可以在相当程度上消去不肯定度了。另外，按此法还可找出合理且最优的参数化办法[13，14]，现在正在全面摸索之一啦。

6.3.3 大方边界层和下垫面的影响

大方的最低层就所谓的边界层(boundary layer)，他与地外表接近而形成有些特有的相互作用经过，影响着热能传输.水汽传输以及相变.动量传输和外表磨擦等经过啦。这一些都会影响边界层上的大方运-动，以至会影响到有些猛烈的气候体系发展与否，比方海面的蒸发和水汽在边界层内的辐合量是台风变成与发展的主要经过，陆表上的对流和积云的变成亦大多数由边界层内的扰动演化而成，而这一些扰动则大多数是由地势和陆表特征的不平均导致呢。正如通常流体力学中边界层疑相同，大方边界层也只能半理论.半经历体验地将动量.能量.物质等的传输作为湍流分散经过来处置呢。另外，假如地表特征的不平均性与随机性差别很远，便可有次网格幅度的构造，则不可以套用总计形式计算网格上边界层的通量等，而必需用小范畴但拥有更高分辨率的形式计算，如山谷风环流.海陆风环流等，随后再嵌入到本来的形式中了。

6.4 可预告时限和预告才能

因为观察材料的不完整，且必有偏差，形式又有各式各样（注形容种类繁多）的简化，此中的参数也有不确定性，再加上计算上的截断误差和舍入偏差，这一些必定会经过偏差的积累经过(非常复杂而大多数尚不可知道)使预告越来越不精确，而最后使某每刻的预告不可信，这一个每刻离始报每刻的时间尺寸就称之为可预告时限啦。他是考查1种形式或1种预告办法的才能的1种目标，通称为预告才能(predictability)啦。这是很主要的现实疑啦。

就用形式作预告来讲，可有2种办法肯定可预告时限了。一是在形式中引进随机误差，无论是引进到初始场中，就是引人到形式中所包括的许多参数中，偏差的标准方差(standard deviation)应等同现实的标准方差啦。因此预告场就1个集合，研究其分散度随时间的改变，当他到达大方变量本身改变的方差时，这一个每刻离初始每刻的时间尺寸就可预告时限呢。今后的预告就不可信的了。另1种办法是依据已积累的预告个例的集合，计算预告和实情的分散度来定出可预告时限了。一开始的时候人民是按第一种办法，所用的形式非常简易，获得了较开朗的预计，可预告时限为半个月呢。但之后，按第二种办法计算，即便到现如今，可预告时限也唯有7天了。其原因除形式的复杂性和观察的偏差以外，或许还由于形式中还包括有未被咱们认得的经过以及形式没法表明的自然不确定性或测不可以之处，这一些都是数值天气预报发展经过之中必需逐渐研究处理的啦。

6.5 骤变.分叉.混沌和韵律

无论是现实的气候经过就是数值天气预报，都发觉有骤变现象(abrupt change)和分叉现象(bifurcation)，只管不像数学上定意的纯洁骤变和分叉那样了。还有混沌现象(chaos)，就现如今我们早就熟知的所谓“蝴蝶效应呀”，一开始的时候是由气象学家Lorenz[15，16]经过十分简化的大方动力—热力学方程而发觉的呢。Lorenz的原话是，南边1只海鸥(并不是胡蝶)鸣叫会吸引南方一场暴风雪呢。这自然是艺术的极其浮夸比方，而非科-学的真切了。本来，海鸥(或胡蝶)的动作只能引发他周围空气的极微小的运-动，通过气体份子或湍流分散，信-号非常快会在非常小范畴内消失殆尽啦。她不过以比方方法重申初值的偏差会使预告差异太大，即中国战国时期的思想家早就提出的“差之毫厘，谬以千里呀”呢。之后，这一个疑便用来探讨中期天气预报疑[17]了。

从总计意思上说，骤变.分叉和混沌就约束可预告时限的有些重要动力学经过，而就个例而言，他们都是很难预告的对象——假如未明了其动力学机理和规律的话，但他们的发生常常相应于猛烈的以至变成重大灾难的气候了。对于这一些，就是天气学和数值天气预报应加以目的性研究的对象，应当别论呢。

气候和天气中还有所谓的“韵律了”现象(rhythm)，比方，1种气候(或天气)局势在某地区某时段出现后，就会削弱以至消失到无痕，但是通过肯定时段以后，又会在源地区或别地区出现相同气候(或天气)局势啦。他重要是由动力学经过本身或形式构造本身所决定，初值偏差的影响并不大啦。他在天气预料中尤为拥有很主要意思，即找寻所谓的遥有关型(teleconnection pattern)了。

骤变.分叉和混沌现象，在通过初值偏差决定的可预告时限以后，都也许形成韵律现象呢。但即便没有上述三者，也可以形成韵律现象呢。1个简易的物理按例是2个频次差别不大的震动叠加起来，会形成1种被很低频次调制的群波传输出来，群波的包络线跨度就1种韵律，他是动力经过本身所拥有的特征啦。下面1个按例声明，并不是在上小节定意的形式可预告时限以外，该形式就不拥有预告才能呢。比方对1个线性的简谐波f=cos(x-ct)来讲，假如计算形式交出的相速为c+Δc，预告的波就fp=cos(x-(c+Δc)t)，预告偏差为Δf=(fp-f)，他是t的函数，假如取|Δf|首次到达1/2的每刻为可预告时限tp，则在tp以后，但在

之中，又有一段时间|Δf|≤1/2，也就预告仍可满足要求了。可以看见，假如人民有长时候的经历体验累积，不管是客观的，就是经过数值预告等概括出去的，只需要擅长概括，总可以参透玄机，悟其妙道，找出尽量多的可以预告的气候和天气的类别啦。上节所定意的可预告时限和预告才能并不是绝对的，气候的演化及其预告有很多奥秘呵呢。

07 大方环流形式的运用和集合预告办法——数值天气预报的成年

有了原始方程自洽的动力架构和合理的大方上下界边界条件以后，计入上节所述的物理经过，并将预告地区扩张到全世界，数值天气预报形式就从物理和数学上说是理论严紧的了了。不但可以提升短期数值天气预报的精度，并且可以作全世界范畴和中期数值天气预报(即尽力到达大自然的可预告时限)啦。所谓中期是指3天之上至一周或两周，而短期则指直至第三天啦。

1980年前面和后面，欧盟建立了中期天气预报中心(ECMWF)，凝集全欧科学家进行研究，并建设了平常业务，非常快就发觉数值预告中出现了这个文章第6.4和6.5节中提到的疑，并假想必需处理提升形式的精度疑(这个文章第6.2和6.3节)和遇到的与6.1节有关系的计算方法疑呢。上世纪90年份，中期数值天气预报进去了成年期啦。

这边单讲提升可预告时限的有些疑啦。由观察材料获得的初始场中包括偏差不可避免，但又不可以确实明白其大小和分散了。若形式足以好，则预告中所出现的庞大偏差，尤为是由此引发的虚伪的骤变等现象，肯定是由初始场中偏差的某一些有组织的构造及其演化导致呢。记偏差场为δ(x，y，z，t)，其范数为ε(t)(比方其全空间在t每刻的能量)呢。明显，在初始每刻t=0时，ε(0)就初始场的观察偏差的范数ε0，他等同观察偏差的均方差呢。不难由形式拿出偏差场δ随时间的演化方程，故在t每刻范数最大的偏差场就在约束ε(0)=ε0要求下，ε(t)为最大的那一种构造δ(x，y，z，t)，这可由数学运算求得(在数值预告情形下，自然要经过数值求解)呢。在上世纪90年份初，Palmer等[18，19]一开始的时候设偏差为小扰动，因此疑归结为求线性算子的一系列特征值和特征函数(在分散情形下为特征向量，Palmer等称为奇怪向量(singular vector))呢。穆穆[20]则往前一步求解非线性扰动方程的特征向量了。不难想象，那样的由奇怪向量或特征向量表明的扰动在初始每刻肯定是发展型的(不然不足以强盛到改变源流场形状)，但演化以后则也许成为衰减型(把能量反应回已变形的根本流场)，这就是这个文章6.1节最终一段所提出的研究对象啦。将个个那样的向量(δn(x，y，z，0)，n=1，2，…)加到初始场中去作预告，因此获得1个预告集合，取这一个集合的数学希望作为正式的预告，这就叫做集合预告办法(ensemble forecast)呢。之后的实行声明，那样作的确既提升了预告准确度，也增长了形式的可预告时限啦。

08 四维同化办法和狭义的初值题——数值天气预报的稳重

将数值天气预报作为1个由初始场决定的初值题，只用到了初始每刻的观察材料啦。本来咱们有好多材料，也应当想方法在数值预告中运用起来，以提升预告精度和可预告时限呢。比方，咱们还有卫星遥感.雷达观察.飞机观察.船舶观察.海上浮标观察等非定点准时的所谓非正规或非直-接的观察材料啦。十分是跟着预告的进行，还有不一样每刻的观察材料逐次而来呢。而历史气候的某一些有效的总计特征，则既可用来检查预告，更可以把这一些检查结局作为修正，引进到预告形式和预告提案中去了。那样的办法则不是狭隘的初值题，却是更现实.更有效的狭义初值题从过去的历经预告以后，只管这一些历经在任何时刻都有偏差，并且常常是不全部的呢。

那样，就发展出四维同化办法(4D data assimilation)啦。在有观察材料的三维子空间和每刻，使观察到的量和由形式直-接算得的或间接拿出的量相靠近(融会)，而没有观察材料的地区和每刻又有预告场作填充，因此在肯定时段内就有1套更加好更全面的混杂而成的材料，故不停地随时随刻有材料升级的预告肯定比只用本来办法预告为好呢。欧美中期气候数值预告就那样作的，其预告是当今世界上最好的，其全世界均匀的可预告的时限已赶过7天，有希望到达10天[21](图4)呢。这边可预告时限是取距平相关系数rop≥0.5的时段，rop是指气候变量与其标准值之差的实情和预告值的相关系数，通常取为在肯定地区内(如全世界或半)的均匀了。

图4 ECMWF 500 hPa位势高度的预告才能逐年提升(纵坐标rop×100≥50被以为预告值得信任了。D+n为第n天的预告啦。左右曲线各为北半和南半)

这一种办法在世界各地和ECMWF同时间发展和运用，并且形式的分辨率和物理经过的精致程度都已大为提升，其计算量之大则是“超级的吧”啦。好在电子计算机的发展可以与数值天气预报发展的时速同步，今日的数值预告早已经成为数学物理理论和超级计算很好连合的稳重的庞大系统工程啦。

图5 2012年韦森特(1208)台风途径(左图)和硬度(右图)的24小时预告(粗黑线为实情，其他是集合预告中的有些个例)

在全世界中期天气预报发展的同时间，区域性的短期气候数值预告也已发展到用更精致和分辨率更高的形式和四维同化办法，并把他嵌套到全世界形式中去啦。图5和图6就中国气象局做出的1个台风途径和硬度预告及台风登陆时的天气形势预告图(传海和高拴柱供应)啦。

图6 韦森特(1208)台风登陆时的地上天气形势预告图(箭头为风速矢量，风速大小用线之好坏表示呢。色为观察到的雷达回波硬度，他越强则下雨越强)

09 数值天气预报的以后发展和气象预报的拓广

数值天气预报早已经稳重，其近景更光辉了。在前行的道路上，人民的需要将指出更多的有待处理的疑，并且受数值天气预报成功的鼓励，气象预报也已逐渐拓广到新领域中去了呢。

9.1 灾难气候及有关灾难的预告和预防

现在，对灾难气候还预告得不好了。比方大多数的大雨的硬度预告得太弱，以至连落区都预告得不好了；台风的预告精度也需提升了；龙卷风和强烈的雷暴对流及雷电经过还根本上没法预告呢。这一些要有更加好的探测方法，也要有目的性的特别数值预告形式呢。对于由灾难气候引起的次生灾难，如山崩.泥石流和滑坡.林火.水库和河流溃坝等，也是更要预告和预防的对象，因此要建设对应的物理数学形式，与数值天气预报形式耦合起来呢。

9.2 探测网的完好和计划

不可以相像，只用1个探测网就可以将全部要预告的天气现象“一网尽扫呀”啦。本来，现有的探测网(包含其时空分散和探测的变量)是非常不全部和不能够准确的，然而有漏网的和探测迷糊的气候呢。因而，很大自然就会指出那样的疑为了在某地区和对某种凶险的气候(比方台风和大雨)预告好，应在何时何地作那种更准确的填充探测吗？这就肯定“观察目标区吧”疑，今已开始了研究[22]，其本质上依然是求改进疑，与求奇怪向量和四维同化等的办法相似，但具体方法不一样啦。

9.3 天气预料

作为数值天气预报的直-接拓展就天气预料的动力学办法，或简称为动力学天气预料(dynamical climate prediction)或数值天气预料(numerical climate prediction)呢。他差一点与数值预告同时间发展，也历经过从滤波形式(但计入与陆表和海表的热能调换)[23，24]到全世界原始方程形式等阶层，但因为其更为繁杂和更为长时间，短期天气预料迄今只到达可准业务运用的阶层呢。

天气的成因和演化更为繁杂，影响原因更多啦。一开始的时候，海洋(包含洋冰)和陆表层状况及其演化对大方中的天气有重大的影响，故预料天气，除大方环流形式外，还必需建设较好的大洋环流形式和陆表经过形式，并将大方环流形式与之耦合起来，这个是1个更为繁杂的形式体系呢。

海洋和陆表层的观察材料更为欠缺，四维同化就更显出主要啦。集合预料明显也是必需的呢。留意到天气预料的时段已全部超过初值题的可预料时限，预料偏差最重要的起源也许是形式本身的偏差，故不可以像中期气候数值预告那样，由初始场加小扰动形成集合，我们国家的经历体验是可用逐天作的预料作为集合，这是因为那样有前面和后面一大串预告，他们合在一起，可在肯定程度上反应形式偏差致使的大范畴较长时间的流场体系间的相互作用啦。更长时段内的流场即气候系统(以别于气候体系)，才是形成气候异常的重要载体呢。尽管如此，天气预料依然还有比较大的不肯定度，要由过去的样板集里找到有些总计特征来建设预告的修正体系呢。此外，不只交出数学希望，同时间交出集合预料的分散度和某种气候型(比方多雨型)的几率，也许对客户更为有利，这是因为天气预料重要用在计划，而计划是可以有几种提案挑选的了。我们国家最先就那样作的[25]，现如今世界上也总体那样作，小异大同啦。

9.4 天气与生态和环境体系的预料及调控

人民的居住和行动与其四周的生态和环境体系更为密切相关，这边的“生态吧”是指有生命行动的植物界(在这边称之为“植被了”).动物界和微生物界的状况啦。他们和气候变化等一起，还有物种演替等的演化发展和灾难经过(如荒漠化.感染病和病虫害的发生和传送等经过)都是人类所关注的啦。人民在更长时候内的行动计划，尤为是为了可连续发展，正在请求对天气与生态和环境体系的改变作预料和调控计划了。预料的需要不说自明，调控计划的按例如大规模改变生态环境.现代化和工业化.人类行动带来的释放和污浊等啦。总之，人民应怎么样顺从大自然之理来合理计划本身的行动，使生态环境能承载人类的可连续发展了。

现如今，科学界早已经在建设“天气与生态和环境体系形式吧”，或简称为“地体系形式吧”(Earth system model)了。大体上可概括为7个分系统形式，即大方环流形式(AGCM).大洋环流加洋冰形式(OGCM+OICM).陆表物理经过形式(LSM).植被动力学形式(DGVM).气溶胶和大方化学形式(AACM).大陆动物地化学形式(LBCM)和海洋生物地化学形式(OBCM)及其耦合啦。那样的地体系形式雏形虽已建设起来了[26，27]，但对那样超大规模的体系形式的合理研发和模仿，对他演化过程的研究.预料和调控，还请求地科学.数学.物理学以及化学和生物学界一同合作才可能有成啦。

9.5 人-工影响气候项目理论疑

人-工影响气候(如增雨.消雹.消雾等)有庞大现实意义，其指出已有多年历史，重要办法是经过在云雾中传播催化剂来掌控此中各态水点的改变经过，以到达人民的目标了。无疑，即便在现有办法和技能要求下，要到达目标，必需将观察.预告.做业提案和结果检查一体化，提成1个“大自然控制论吧”疑，这边包含材料同化.适当的时候和滚动方法预告和最优计划疑等，大概5年后可成为可以的业务啦。对于更进一步的提升则要在催化原料和物理经过方面多下功夫，还要摸索人工控制雷电的可能性，这一些也都要多课程一起努力了。

绵阳天气预报15天

四川绵阳天气预报11月27日—12月1日

中国气象局2017年11月27日19时升级

绵阳天气预报

绵阳近五日天气预报

11月27日阴转晴，7~12℃，轻风＜3级

11月28日细雨转多云，7~14℃，轻风＜3级

11月29日细雨转阴，7~13℃，轻风＜3级

11月30日多云，7~13℃，轻风＜3级

12月01日阴，6~12℃，轻风＜3级

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