数值天气预报基本问题及展望讲解

《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。

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(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。

《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。

数值天气预报业务模式现状与展望数值天气预报业务模式现状与展望一、引言天气预报是指根据气象学原理，运用数值模拟计算等方法，对未来一段时间的天气变化进行预测。

过去，天气预报主要依靠人工经验和观测资料，预报准确性受限。

然而，随着计算机技术和气象科学的发展，数值天气预报应运而生。

本文将探讨数值天气预报的业务模式现状和未来的展望。

二、数值天气预报的业务模式现状1. 数据采集数值天气预报的首要任务是数据采集，包括观测数据、卫星遥感数据和雷达数据等。

观测数据是指气象观测站采集的温度、湿度、气压和风速等实况数据。

卫星遥感数据可以提供大范围的云图和海洋数据，为预报提供重要信息。

雷达数据利用雷达接收到的反射信号，可以探测降水和风暴等天气变化。

2. 数值模拟数据采集完毕后，利用气象学原理和数值模拟方法，对采集到的数据进行计算和分析，生成天气预报模型。

数值模拟方法是通过将大气划分为网格，将大气变量在每个网格上进行计算，然后通过数值迭代方法不断更新网格数据，最终获得数值模拟的结果。

数值模拟的精确性和时效性直接影响着天气预报的准确性。

3. 天气预报发布数值模拟生成的天气预报结果需要经过专业气象人员的分析和判读，制定出具体的天气预报产品，并根据不同的需求和用户群体进行分类和发布。

这些预报产品可以是文字形式的天气概况、预报图表和预警产品等。

三、数值天气预报业务模式的挑战和面临的问题1. 提高预报准确性虽然数值天气预报的准确度已经远远超过了传统天气预报方法，但预报误差仍然存在。

地理复杂性、观测数据不完全和模型参数的不确定性等因素都会影响数值天气预报的准确性。

如何提高数值模拟的精度和计算速度，是数值天气预报业务模式发展中需要解决的问题。

2. 拓宽应用领域目前，数值天气预报主要应用于航空、农业、能源和城市管理等领域。

然而，随着人们对天气的需求不断增加，数值天气预报的应用领域也在不断拓宽。

例如，交通、旅游、日常生活等方面都可以通过数值天气预报获得更准确的信息，促进相关行业的发展。

数值天气预报业务模式现状与展望数值天气预报业务模式现状与展望随着科技的迅猛发展，天气预报也从过去的主观预报逐渐转向了数值天气预报。

数值天气预报是利用计算机模拟大气环流、逐步推演气象要素变化，从而预测未来一段时间内天气变化的一种方法。

它具有客观性、定量性、连续性等特点，成为现代气象科学的重要组成部分。

本文将从数值天气预报业务模式的现状与发展进行分析，并对未来的展望进行探讨。

一、数值天气预报业务模式现状1.1 数值模式与大气环流的关系数值天气预报是基于数值模式实现的，而数值模式与大气环流之间的关系至关重要。

通过建立数值模式，可对大气中不同的要素进行计算和观测，预测天气的变化趋势。

数值模式的精度和准确性直接影响到预报的效果。

当前，在数值模式方面，已有的主要模式有GFS（Global Forecast System）、ECMWF （European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）和UKMO（United Kingdom Meteorological Office）等。

1.2 数据采集与处理为了有效地开展数值天气预报，需要对海量的数据进行采集和处理。

目前，气象部门通过气象卫星、雷达、探空以及地面观测站等手段获取天气数据，并将这些数据进行收集和整编。

然后，利用各种气象数据模拟和处理方法，生成适用于数值模式输入的数据，最终进行预报。

1.3 数值模式与数值天气预报数值模式是数值天气预报的核心内容，其主要通过计算、模拟和综合利用已有的天气数据，对天气的变化进行预测。

数值模式基本原理为将大气分割为一系列小区域，通过计算模拟各小区域中的大气环流和物理过程，最终得出数值模式的结果。

比较常用的数值模式有WRF（Weather Research and Forecasting）、MM5（the Fifth-Generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model）等。

大气数值模式及模拟（数值天气预报）习题第一章大气数值模式概论1．试述原始方程组、全球模式、区域模式和非静力模式之间的区别。

2．试述天气模式、气候模式的主要区别？3．区域气候模式、大气环流模式、中尺度模式、陆面模式、边界层模式各有什么特点？第二章 大气运动方程组1. 试证明球坐标系中单位矢量i 的个别变化率为(sin cos )cos di u j k dt r ϕϕϕ=- 2.试说明局地直角坐标系（即z 坐标系）中的运动方程与球坐标系中的运动方程有何异同？3．用球坐标导出下面两个方程：(sin cos )cos d i u j k dt r ϕϕϕ=- tan d j u v i k dt r rϕ=-- 4.由热力学方程v dT d C p Q dt dtα+=推导出如下方程： p dT C Q dt αω-= ()dp dtω= 式中v dT C dt为单位质量理想空气内能的变化率，v C 为空气的定容比热，d p dtα为可逆过程中单位质量非粘性气体在单位时间里膨胀所作的功。

Q 为外界对单位质量空气的加热率。

第三章 数值计算方案1. 什么是差分格式的收敛性和稳定性？二者之间有何关系？2. 试证明一阶偏微商u x ∂∂的三点差商近似式：3(,)(,)213(,)4(,)(2,)22u u x x t u x t x x u x t u x x t u x x t x ∂+∆-⎡⎤=⎢⎥∂∆⎣⎦-++∆-+∆⎡⎤-⎢⎥∆⎣⎦的截断误差为2()O x ∆。

3. 用中央差分将涡度方程()()()l l u u u v l t x y x y∂Ω∂Ω+∂Ω+∂∂++=-+∂∂∂∂∂ 写成有限差形式。

设(,)l l x y =，并取水平坐标步长为s δ，时间步长为t δ。

4. 分别对x 轴上的i+1和i+3格点，以d 和2d 为步长，写出一阶微商dF dx的前差、后差和中央差的差分近似式，以及二阶微商22d F dx 的二阶中央差分近似式。

《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。

它利用先进的计算机技术和数值计算方法，对大气进行数值模拟和预测，为人们的生产生活提供了重要的气象信息服务。

本文将详细阐述数值天气预报业务模式的现状以及未来的展望。

二、数值天气预报业务模式现状1. 业务架构当前，数值天气预报业务架构主要包括数据收集、模式运行、产品制作和发布等环节。

数据收集环节主要收集各类气象观测数据，如地面观测、卫星遥感、雷达探测等。

模式运行环节则利用高性能计算机进行数值模拟和预测。

产品制作和发布环节则将预测结果以图表、文字等形式制作成气象预报产品，并通过各种渠道发布给用户。

2. 技术手段在技术手段方面，数值天气预报业务已经实现了高度的自动化和智能化。

首先，在数据收集方面，各种先进的传感器和遥感技术使得气象观测数据的准确性和时效性得到了极大提高。

其次，高性能计算机和先进的数值计算方法使得数值模拟和预测的精度得到了显著提升。

此外，人工智能、机器学习等新技术也被广泛应用于数值天气预报业务中，提高了预报的准确性和时效性。

3. 业务应用数值天气预报业务在各个领域都有广泛的应用。

在农业、水利、交通、航空、海洋等领域，数值天气预报为决策提供了重要的气象信息支持。

同时，数值天气预报还为公众提供了日常生活中的气象信息服务，如天气预报、气象灾害预警等。

三、数值天气预报业务模式的展望1. 技术发展未来，随着科技的不断发展，数值天气预报业务将更加智能化和精细化。

一方面，高性能计算机和先进的数值计算方法将继续提高数值模拟和预测的精度。

另一方面，人工智能、机器学习等新技术将进一步应用于数值天气预报业务中，提高预报的准确性和时效性。

此外，物联网、大数据等技术的发展也将为数值天气预报业务提供更多的数据支持和信息分析。

2. 业务创新在未来，数值天气预报业务将更加注重服务创新和产品创新。

一方面，业务部门将更加关注用户需求，根据不同行业和领域的需求，提供更加精细化和个性化的气象信息服务。

论数值天气预报的应用问题及措施作者：郭婧芝许大伟来源：《中国科技博览》2013年第30期摘要：本文通过分析数值天气预报的应用条件及计算方法，并对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进行了论述。

关键词：天气分析预报、数值预报技术开发应用研究中图分类号：P456.7从20世纪80年代起，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预报的主要方法。

就预报项目来说，已包含有气压、温度、湿度、风、云和降水量；就范围来说，已从对流层有限区发展到包括平流层的半球和全球范围；就时效来说，除1～2天短期预报外，有的国家已开展了一个星期左右的中期预报。

随着应用的日益广泛，进一步加强数值天气预报的研究，对未来的气象事业将具有重要意义。

1 应用数值天气预报的条件1.1要建立一个较好的反映预报时段的（短期＼中期）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。

1.2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。

1.3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。

2 数值天气预报数值的取得2.1根据大气实际情况，把全球（或某一区域）非均匀分布的定时气象观测资料（如气压、风力、风向、温度、湿度等）在很短的时间内收集起来，把这些非均匀分布的气象资料插值到均匀分布的一个个格点上，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，形成数值天气预报模式的初值。

2.2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。

当前天气预报存在常见的问题及策略作者：王安林何春燕来源：《中国科技博览》2016年第09期[摘要]随着我国国民经济的迅猛发展，其经济和社会的集约化程度越来越高，对自然灾害、特别是天气灾害的承受能力却逐步减弱。

目前，经济和社会的脆弱性更加显现出来。

我国天气预报业务的发展因此将越来越受到全社会的关注。

在向社会提供定时、定点、定量的天气实时监测和预报产品方面，我国的天气预报研究、教育和业务部门任重而道远。

本文其目的在于抛砖引玉，希望大家都能够为我国的天气预报业务发展贡献力量。

[关键词]天气预报、存在问题、策略中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0282-01一、引言随着我国经济、社会的高速发展，特别是城市化的急剧发展，区域经济、人口的高度集约化，相应对于同样强度的自然灾害，社会可能出现更大的经济、生命财产的损失，社会的灾害承受能力逐步减弱，在天气灾害面前，经济和社会的脆弱性更加凸现出来。

目前许多重大的天气灾害与灾害性天气系统密切相关，而这类灾害性天气系统的预测准确率仍然很低，特别是对于突发性的高影响性，中小尺度天气事件往往出现预报的失败。

为了保证国家经济、社会的协调和可持续发展，满足国家安全、军事斗争准备的迫切需要，对于天气预报的业务发展提出了新的要求，归结为一点，我国天气预报业务需要向社会提供定时、定点、定量的天气实时监测和预报产品，以满足社会的整体需求。

二、当前预报工作中存在常见的问题针对今年预报工作中存在预报质量滑坡等现象，主要从思想认识、管理措施、技术保障、业务流程、人员素质等方面进行认真分析，查找了原因，发现还存在如下一些问题：（一）部分预报员值班责任心不强个别预报员没有完全按照业务流程和业务规范，密切监视天气变化，有时不按时上下班，迟到早退，特别是对局地冰雹、大雾、强降水的卫星云图、雷达回波的监测分析不及时，不到位，影响了突发性灾害性天气的监测预报。

数值天气预报教学大纲一、前言天气预报是气象学的核心内容之一，在现代社会中具有非常重要的意义。

随着科技的进步，数值天气预报成为了天气预报的主要方法之一。

本教学大纲旨在介绍数值天气预报的基本概念、原理、方法和应用，帮助学生了解和掌握数值天气预报的主要内容。

二、教学目标1.理解数值天气预报的基本原理和方法；2.掌握数值天气预报模型的基本结构和运行原理；3.能够分析和解读数值天气预报的结果；4.熟悉数值天气预报在实际应用中的一些案例。

三、教学内容3.1 数值天气预报基本概念•数值天气预报的定义和意义；•数值天气预报的基本原理。

3.2 数值天气预报模型•数值天气预报模型的基本结构和组成部分；•数值天气预报模型的输入和输出；•数值天气预报模型的运行原理和方法。

3.3 数值天气预报数据分析和解读•数值天气预报数据的主要参数和指标；•数值天气预报结果的分析方法；•数值天气预报数据的可视化方法。

3.4 数值天气预报的应用案例•数值天气预报在气象科学研究中的应用；•数值天气预报在气象灾害预警中的应用；•数值天气预报在军事、交通、农业等领域中的应用。

四、教学方法和手段1.理论授课：通过讲解和演示，向学生介绍数值天气预报的基本概念、原理和方法。

2.实践操作：通过实际操作数值天气预报模型和分析数值预报结果，帮助学生掌握数值天气预报的实际应用技能。

3.讨论交流：鼓励学生参与讨论和交流，加深对数值天气预报知识的理解和应用。

五、教学评价和考核1.课堂测验：针对教学内容进行单选、多选和简答题测试，考核学生对数值天气预报的理解和掌握程度。

2.实验报告：要求学生进行数值天气预报的模拟实验，并撰写实验报告，评估学生对数值天气预报模型的掌握情况。

3.课堂讨论：根据学生参与讨论的情况进行评价，评估学生对数值天气预报应用案例的理解和分析能力。

六、教学资源1.数值天气预报模型软件：提供给学生使用数值天气预报模型进行实际操作和分析。

2.书籍资料：提供数值天气预报相关的教材和参考书籍，供学生学习和参考。

数值天气预报的基本原理
数值天气预报是一种基于物理方程的数值模型，通过对大气、海洋、地表等各个要素的数值计算，预测未来的天气情况。

其基本原理是利用计算机对大气运动方程、热力学方程、水气运动方程、辐射传输方程等进行数值求解，并通过各种观测资料的输入和数据同化，不断修正和提高模型的预测精度。

数值天气预报的优点是能够提供较为准确的天气预报信息，可以预测出较长时间范围内的天气变化趋势，同时还可以为气象灾害预警和应急管理提供重要的科学依据。

但也存在一些不足，比如对于复杂地形和海洋等情况的预测精度仍有待提高，同时预报误差也受到各种因素的影响，需要不断优化算法和更新数据。

总的来说，数值天气预报是一种科学、先进的天气预报方法，其基本原理在不断发展和完善中，为我们提供了重要的气象服务。

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数值天⽓预报数值天⽓预报数值天⽓预报可以简单的概括为：将已知微分⽅程和定解条件（初始条件和边界条件）求⽅程的解的问题作为正问题，那么，已知⽅程的解（部分解）或解的某种函数反求定解条件或者⽅程的⼀些未知项的问题被称之为微分⽅程的反问题。

四维变分同化也是⼀类微分⽅程的反问题。

求反问题的解的过程称之为反演。

我们可将观测y近似看作预报模式（⽅程）的解的某种函数，那么四维变分同化就是由观测反演初值的问题。

四维变分同化的⼀个显著特点是利⽤了过去时间的观测资料，⽽且同化后的场是模式的⼀个预报场。

三维变分中，假定观测资料y与模式的控制变量x0都是在同⼀时间的。

四维变分中，不同时间的观测资料可以同时影响初始时间的模式控制变量（何为控制变量？控制变量（⽬标函数对该变量求极⼩）是模式的初始态x0，⽽时间区间上终⽌时刻的分析由模式的积分给出）。

这⾥先来说明⼀下四维同化的基本步骤：（1）在同化时间窗的起始时刻以上次预报为初始场积分预报模式到同化时间窗的终点，并将预报变量（可以称为背景预报）记录下来以备后边计算使⽤。

（2）按照时隙的划分来组织观测资料并进⾏预处理使之成为适于同化使⽤的格式。

（3）利⽤与观测同时的背景预报计算所有有效观测的模式观测相当量以及与实际观测值的差，即新息量。

（4）从同化时间窗的终点时刻开始，反向积分伴随模式，并在每个观测时隙增加相应的观测资料的贡献，直⾄同化时间窗的起点。

（5）计算⽬标函数及其梯度，⽤适当的最优化算法估计状态变量的修正值。

（6）返回到（1），开始下⼀轮的优化循环，直⾄达到预期的精度。

说明：（1）⽬标函数与梯度的计算是为了利⽤最优化⽅法来求使⽬标函数取极⼩值的模式初试状态值。

这种⼤规模的最优化问题⼀般都是迭代求解的。

（2）从步骤中可以看出，单次计算即涉及预报模式及其切线性的正向积分与伴随模式的反向积分，计算量已经很⼤，再多次迭代其计算量⼜要⼤幅度增长。

因此四维变分同化的实施严重地受到计算量的制约。

)]()([mv y n u x m n ∂∂+∂∂=⋅∇)]()([m u y n v x m n ∂∂-∂∂y A nv x A m u A V ∂∂+∂∂=∇⋅y A n x A m A ∂∂+∂∂=∇Part1 基本概念、基本理论1、什么是数值预报？数值天气预报就是在给定的初始条件下，通过对大气运动方程组进行数值积分，从而得到未来某一时刻大气环流的状况和气象要素的分布特征。

2、什么是地图投影？地图投影就是按照一定的数学条件，将球形的地球表面展绘于一张平面图上，或者说把地球表面投影到一个简单的曲面上，并沿某经线展开成为平面得到平面图形。

3、气象学中常用的地图投影有哪些？各有哪些特点？1、平面投影、方位投影：也叫极射赤面投影，其光源位于南极，投影面为一个与60o N 纬圈相割的平面，即标准纬度取在 =60°，这就得到一张适用于北半球的平面投影图。

它属于正形投影。

2、圆锥投影：光源位于地球球心，投影面为一个与地球表面相割于60o N 和30o N 的圆锥面，圆锥面从北向南切割。

当然，相反方向可以获得南半球的圆锥投影图。

标准纬度为 =30°和 =60°。

Lambert 投影就是圆锥投影，它也是正形投影。

3、圆柱投影：即Mercator 投影，光源位于球心，投影面是与地球表面相割于南北纬22.5o 的圆柱面，即标准纬度取为=22.5°。

4、地图投影坐标系中，散度、涡度、平流项、水平梯度等的表示方法散度： 涡度： 平流项： 水平梯度：5、微分方程离散化的方法有哪些？ 主要有三种：差分法、谱方法、有限元法6、什么是差分法？差分近似有何特点？差分法：将基本方程组写在离散的网格点上，用差商代替微商，将偏微分方程转换成差分方程，然后用代数方法求解。

特点：一致性（相容性）、收敛性、稳定性7、什么是平滑？有何作用？ 平滑就是用某点周围若干点的值进行加权平均，代替该点原先的值作用：经过平滑处理的变量场，可以衰减或过滤掉短波分量，起到滤波的作用8、什么是客观分析？其作用是什么？常见的客观分析方法有哪几种？客观分析就是将不规则分布的站点资料重新构建到规则网格点上，使它们能够客观地表示气象要素的空间分布。