多尺度大气数值预报的技术进展

数值预报中气象卫星资料同化前处理技术进展马刚;黄静;巩欣亚;希爽;薛蕾;李娟;张鹏;龚建东【期刊名称】《应用气象学报》【年(卷),期】2024(35)2【摘要】在数值天气预报变分同化中,利用同化前处理将卫星资料完成有效信息优选、资料拼接和稀疏化、初级通道选择、下边界参数耦合等处理,实现卫星资料同化对数值天气预报业务的正贡献,是决定海量卫星资料同化效率、质量和效果的重要环节。

针对多种格式的卫星资料,中国气象局研发标准格式的高时效卫星资料拼接等技术,有效减小整轨卫星资料时间滞后对数值天气预报业务的负面影响。

对于风云气象卫星资料,将云和降水检测、资料质量分析等处理置于同化前处理中,实现多光谱资料融合的同化预质量控制,保证了风云卫星微波温度探测资料和红外高光谱资料的同化正贡献。

利用统一资料格式对预处理卫星资料进行再处理,拓展针对卫星成像和主动探测资料的处理,将卫星资料同化的部分质量控制功能置于卫星资料同化前处理中,是风云卫星资料同化前处理技术发展的重要趋势。

【总页数】14页(P142-155)【作者】马刚;黄静;巩欣亚;希爽;薛蕾;李娟;张鹏;龚建东【作者单位】中国气象局地球系统数值预报中心;中国气象局地球系统数值预报重点开放实验室;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室;国家卫星气象中心;国家气象信息中心【正文语种】中文【中图分类】TN9【相关文献】1.WRF数值预报模式气象资料的同化处理与对比分析2.气象卫星探测资料在数值天气预报中的应用3.资料同化中的伴随方法及在数值天气预报中的应用4.数值天气预报中集合-变分混合资料同化及其研究进展5.雷达资料快速更新四维变分同化中增加地面资料同化对强对流临近数值预报的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

气象预报系统气象成就⑦党的十八大以来，在党中央、国务院的坚强领导下，现代气象预报业务体系基本建立，气象预报事业进入高质量发展阶段，气象服务国家重大战略、经济社会发展、人民福祉福祉的能力显著提升。

以预报精准为龙头，坚持将预报精准放在气象业务链条中的核心位置，带动监测精密和服务精细发展，推进观测预报服务业务共融互通，是中国气象局常抓不懈、在实践中不断深化发展的工作理念。

党的十八大以来，我国精细化预报实现0天至30天无缝隙网格-站点预报一体化，全球范围0天至10天10公里网格预报及1万多城市的逐3小时预报。

基于“云+端”的气象业务技术体制重点改革逐步展开，以智能网格预报为代表的现代气象预报业务体系基本建立，以高分辨率数值模式、多源融合实况分析等关键技术为代表的客观化精准化技术体系逐步完善，气象预报业务整体实力接近同期世界先进水平，初步具备全球监测、全球预报、全球服务能力。

十年来，气象预报预测准确率稳步提升。

暴雨预警准确率达89%，强对流天气预警时间提前至38分钟，均创历史新高；台风路径预报24小时误差为65公里，稳居国际先进行列。

预报准确率提升的背后，是气象预报预测关键核心技术的“井喷式”突破——锚定“地球系统框架”发展数值预报，构建短临、短期、中期、长期、延伸期-次季节、季节-年际、年代际无缝隙天气气候预报预测模式体系；自主研发应用四维变分同化系统，推动我国数值预报同化技术迈入国际前列，成为国际上少数具有研制四维变分同化能力的国家之一；实现第三代气候模式预测业务系统次季节-季节-年际尺度气候预测一体化，预测性能达到国际先进水平；推进中国气象局数值预报业务系统精细化发展，实现全球同化预报系统25公里分辨率、可用预报时长10天，区域同化预报系统3公里分辨率，全球气候预测系统45公里分辨率；发展1公里快速循环更新同化预报系统，为北京冬奥会“百米级、分钟级”天气预报服务提供有力支撑。

建设智能网格预报技术和产品体系，通过分钟级滚动外推临近预报技术、高分辨率模式的短时释用预报、多尺度模式短期综合集成、基于集合预报的神经网络延伸期预报等技术研发，结合大数据、人工智能等新技术，推进我国天气预报业务逐步从站点-落区向数字-格点转变；推进降水、温度等气象要素网格预报产品业务稳定运行，实现国内5公里分辨率24小时逐小时预报、1天至10天逐3小时预报、11天至30天逐24小时预报，全球范围0至10天10公里网格预报及1万多城市的逐3小时预报；建立智能网格气候预测业务，研发延伸期（15天至30天）每日滚动更新的主要环流和要素格点化预测产品等。

雷暴与强对流临近天气预报技术进展雷暴与强对流天气是大气中极端气象事件的一种，其对人类活动和生产生活造成的危害极大，因此对其进行准确预报和及时预警显得格外重要。

随着科技的不断发展，气象预报技术也在不断进步，对雷暴与强对流天气的预报能力也有了显著的提高。

本文将探讨近年来雷暴与强对流临近天气预报技术的最新进展。

一、雷暴与强对流天气预警技术的现状目前，雷暴与强对流临近天气的预警技术主要包括利用雷达和卫星观测技术、数值模式预测技术、人工智能技术等多种手段。

雷达和卫星观测技术是实时监测雷暴与强对流天气的有效手段，它可以做到对天气系统进行全天候、全天时、全方位的实时监测，对天气的变化情况和趋势进行准确、及时的监测和预警。

数值模式预测技术是通过计算机模拟大气环流动力学过程，预测未来天气的一种技术手段。

通过对大气现象进行数值模拟，可以对雷暴与强对流天气的发生、发展和变化进行预测，对天气系统的形成和演变过程进行量化描述，从而提高了对雷暴与强对流天气的预报能力。

人工智能技术是近年来迅猛发展的一种新兴技术，其在气象领域的应用也越来越广泛。

人工智能可以通过对大量数据的学习和训练，建立起相应的模型，对未来天气进行预测。

在雷暴与强对流天气预警中，人工智能技术可以对海量的监测和观测资料进行深度学习和分析，从而提高对雷暴与强对流天气的预警准确度和及时性。

卫星观测技术也在不断进步。

卫星可以实现对大范围地区的观测，对雷暴与强对流天气的形成和演变过程进行全方位、全时空的监测，为预报员提供了更加全面、准确的观测资料，提高了对雷暴与强对流天气的预警准确度。

数值模式预测技术也在不断改进。

随着计算能力的提高和模式参数的优化，数值预报模式对大尺度天气系统的模拟和预报能力得到了显著提高，对雷暴与强对流天气的预报能力也有了显著的改善。

未来，雷暴与强对流临近天气预报技术将继续向着更加精准、及时、全面的方向发展。

地面雷达技术将继续向着高分辨率、高灵敏度、多普勒雷达等方向发展，提高对雷暴与强对流天气的监测能力。

城市大气环境数值技术的集成、改进和应用研究【摘要】目前，市大气环境数值研究面临的两大难题：一是由于城市冠层的动力热力的特殊性，对污染物的化学物理过程造成的影响；二是如何更新排放源的清单。

对此，本文主要通过对城市冠层中的大气环境数值模拟系统的集成，进而研究城市大气的动力以及热力效应以及它对污染物的化学物理过程、变化、分布的影响。

其次，结合污染源nudging和cmaq-mos技术来对城市大气污染数值技术的修正，从而改进了对城市污染趋势及污染物浓度的预报，使得城市大气环境数值技术更具有应用价值和可行度。

【关键词】大气环境数值技术；集成；改进；应用a 随着社会经济的发展和城市规模的不断扩大，资源的紧缺、环境的恶化、人口的膨胀等现象严重制约了我国城市的可持续发展，尤其大气污染严重影响了北京、上海、广州等一线城市的生活质量，因此对大气环境的研究和改善已迫在眉睫。

目前为止，主要是通过数值技术的手段对污染物于大气中所经历的各种化学和物理过程进行模拟来研究城市的大气环境的。

由于当前各种有关的化学机制不断完善，气象场和排放源的精度和客观性成为了影响大气环境预测和数值模拟水平最关键的因素。

关于城市大气污染的研究，我们必须建立起一套完整的城市环境评估和预测预警的系统，并为城市的规划和人类的健康提供一定的技术支持，以及为研究提供足够的科学证据，从而以此来调控治理大气污染和预警严重的环境污染事件。

空气污染数值的模拟主要是建立在污染源的排放清单和气场数据的的基础上的。

但由于污染分布的空间变化比较快且排放强度比较大，因此它给环境数值的预报和模拟造成了巨大的困难。

1.城市大气环境数值技术的集成天气系统以及城市污染源两者的相互作用，使得多种污染物在城市尺度范围内具有了相近的变化趋势，但污染源在事件变化和空间分布上却极度不均匀，远郊地区的污染源在排放强度方面远远比城市地区低，并且郊区和城市的污染源在极度变化方面的差异也非常显著，尤其是城市地区的污染源排放的强度在采暖期这一阶段会变得很高。

《考虑历史和未来气候变化的台风风场多尺度模拟》篇一考虑历史与未来气候变化下的台风风场多尺度模拟一、引言台风，作为自然界的一种重要气候现象，其风场的多尺度模拟研究对于防灾减灾、气候预测及科学研究具有重要意义。

随着科技的发展，对台风风场的模拟研究已不再局限于单一尺度和时间维度，而是更加全面地考虑历史和未来气候变化的影响。

本文将探讨考虑历史和未来气候变化下的台风风场多尺度模拟的背景、目的和意义。

二、台风风场多尺度模拟概述台风风场多尺度模拟是指从微观到宏观，对台风风场进行不同尺度的模拟。

这一过程涉及到气象学、流体力学、数值模拟等多个学科的知识。

通过对台风风场的多尺度模拟，可以更准确地预测台风的路径、强度和风速分布，为防灾减灾提供科学依据。

三、历史气候变化对台风风场的影响历史气候变化对台风风场有着显著的影响。

通过对历史气象数据的分析，我们可以发现全球气候变暖导致台风生成频率、强度和路径都发生了变化。

因此，在台风风场多尺度模拟中，必须考虑历史气候变化的影响，以提高模拟的准确性和可靠性。

四、未来气候变化下的台风风场多尺度模拟未来气候变化将进一步影响台风风场的形成和演变。

为了更好地应对未来气候变化带来的挑战，我们需要对未来气候变化下的台风风场进行多尺度模拟。

这需要结合气候模型、气象数据和数值模拟技术，对未来台风的路径、强度和风速分布进行预测。

同时，还需要考虑人类活动对气候的影响，以及气候变化对台风风场的影响机制。

五、台风风场多尺度模拟的方法与技术台风风场多尺度模拟需要采用先进的气象观测技术、数值模拟方法和计算机技术。

首先，通过气象卫星、雷达等设备获取台风的风速、气压、湿度等数据；其次，利用数值天气预报模型对台风进行高精度的模拟；最后，通过计算机技术对模拟结果进行分析和处理，得到台风的路径、强度和风速分布等信息。

六、研究展望与结论考虑到历史和未来气候变化下的台风风场多尺度模拟具有十分重要的科学和社会价值。

首先，通过精确的模拟可以更好地预测台风的路径和强度，为防灾减灾提供科学依据。

大气湍流运动数值模拟仿真方法综述大气湍流是指大气中流体的无序运动，常常出现在多尺度、多层次的大气环流中。

了解和研究大气湍流运动具有重要的科学和应用价值，可以为天气预报、气候模拟以及空气污染等方面的研究提供有力支持。

数值模拟仿真成为研究大气湍流运动的重要手段之一，本文将对大气湍流运动数值模拟仿真方法进行综述。

一、拉格朗日方法：拉格朗日方法是一种经典的描述流体运动的方法，通过跟踪流体的质点运动来模拟流体的流动。

在大气湍流运动数值模拟中，拉格朗日方法常常用于描述物质的运动轨迹，例如云的形成和演变过程等。

拉格朗日方法的优点是能够准确地模拟微观尺度的湍流过程，但其计算量较大，难以用于大尺度的湍流模拟。

二、欧拉方法：欧拉方法是一种描述流体运动的方法，它通过对流体流动的宏观性质进行求解来模拟流体的流动。

在大气湍流运动数值模拟中，欧拉方法常常用于求解流体的运动方程，例如质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。

欧拉方法的优点是计算量相对较小，可以用于大尺度的湍流模拟，但其无法精确地模拟湍流的微观尺度特征。

三、雷诺平均方法（RANS）：雷诺平均方法是一种常用的湍流模拟方法，其基本思想是将流场分解为平均分量和脉动分量，并通过对脉动分量进行平均，来模拟湍流过程。

在大气湍流运动数值模拟中，雷诺平均方法常常用于求解雷诺平均动量方程和湍流能量方程等，以模拟湍流的宏观尺度特征。

雷诺平均方法的优点是计算效率高，适用于中尺度和大尺度的湍流模拟，但其无法准确地模拟湍流的细节特征。

四、大涡模拟方法（LES）：大涡模拟方法是一种适用于直接模拟湍流的方法，其基本思想是将湍流流场分解为大尺度涡旋和小尺度涡旋，并通过求解小尺度涡旋的方程来模拟湍流过程。

在大气湍流运动数值模拟中，大涡模拟方法常常用于模拟中尺度和小尺度的湍流，以获取湍流的细节特征。

大涡模拟方法的优点是能够较好地模拟湍流的细节特征，但其计算量较大，难以用于大尺度湍流的模拟。

五、直接数值模拟方法（DNS）：直接数值模拟方法是一种用于准确模拟湍流的方法，其基本思想是通过求解流场的基本方程，直接模拟湍流中所有的尺度下的流动特征。

岳艳霞, 任芝花, 刘娜, 等. 2022. 中国区域3种数值模式的地面气象要素预报初步评估[J]. 气候与环境研究, 27(2): 299−314.　YUE Yanxia,REN Zhihua, LIU Na, et al. 2022. Preliminary Evaluation of Surface Meteorological Elements Prediction Using Three Numerical Models in China [J].Climatic and Environmental Research (in Chinese), 27 (2): 299−314. doi:10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20064中国区域3种数值模式的地面气象要素预报初步评估岳艳霞 1　任芝花 2　刘娜 2　石岩21 石家庄市气象局，石家庄 0500812 国家气象信息中心，北京 100081摘　要　ECMWF 和GRAPES （Global/Regional Assimilation and Prediction System ）预报产品是国内目前主要的应用服务产品。

为了了解ECMWF 和GRAPES 预报产品的性能，使用户在实际应用中，根据需求可选择性地应用上述预报产品，本文利用中国气象局2421个国家级自动站和8155个地面天气站（骨干站）逐时观测资料对2017年7月和11月、2018年1月和4月的ECMWF 确定性预报模式（C1D ）和我国研发的区域数值预报模式GRAPES_MESO 、全球数值预报模式GRAPES_GFS 的气温、地表温度、湿度、风速预报资料在中国区域的适用性进行了评估。

结果表明：与各观测要素实况相比，3个模式均存在系统误差。

地表温度预报易低估、风速预报易高估；3个模式预报能力普遍存在明显的区域差异、季节差异和昼夜变化。

青藏地区3个模式预报能力明显低于其他地区。

大气环境质量评价、预测及优化方法进展周国飞1, 赵杰颖2, 李祚泳3(1、景德镇市气象局，江西 景德镇 333000；2、中国人民解放军61920部队，四川 成都 610015;3、成都信息工程学院，四川 成都 610041 )摘 要:随着人类对大气环境的重视，针对大气环境质量评价、预测及优化的方法日益成熟，并且不断有新的发展。

本文对现阶段的技术方法进行了研究分析，总结了它们的优缺点，并进行了展望。

关键词:大气环境质量评价；污染预测；算法优化；进展1 引言我国正处于工业化和城市化发展的快速时期，而环境质量仍在不断恶化，尤其是近年以来，由于经济持续高速增长，使得环境压力明显增大，长期积累的环境风险开始出现。

在诸多环境问题中，大气污染造成的损失尤其巨大。

目前被列入大气质量标准的大气污染物有硫化物、氮氧化物、碳氧化物、颗粒污染物和臭氧等。

传统常用的污染物浓度预测方法主要是以污染物排放量为基础进行预测的。

典型的有箱式模型、高斯扩散模式、多源扩散模式、线源扩散模式、面源扩散模式和总悬浮微粒扩散模式。

随着计算机技术的飞速发展，智能计算方法的应用领域也越来越广泛。

20世纪八十年代以来，一些新颖的算法如人工神经网络，混沌、遗传算法、模拟退火算法和群集智能技术等，其思想和内容涉及数学、物理学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等方面，为解决复杂问题提供了新的思路和手段。

在优化领域，由于这些算法构造的直观性与自然机理，因而通常被称为智能优化算法。

也有人称智能计算为“软计算”。

它是人们受自然（生物界）规律的启迪，根据其原理，模仿求解问题的算法。

我们这种利用仿生原理进行设计(包括设计算法)作法，就是智能计算的思想。

随着这些新的理论和分析技术的引入，空气环境系统分析中不确定性分析研究得到了较大的发展。

环境质量评价可信度的大大提高，污染浓度预报水平的大幅度提高，为环境质量管理、探索综合治理大气污染的途径及预防重大污染事件的发生具有十分重要的意义。

大气科学的发展趋势及研究热点注：本文发表于2010年6月的《科技导报》，本文据《大气科学学科发展报告（2009—20 10）》编写，详细内容请参见“中国气象学会编著. 大气科学学科发展报告（2009—2010）[M]. 北京：中国科学技术出版社，2010”。

大气科学是研究地球及其他星体大气的特性、组成、结构、分布、时空演变、物理现象、化学反应、运动规律及揭示天气气候运转规律、气象自然灾害成因、人类活动影响效应等问题的学科。

21世纪以来，大气科学发展的一个主流特征是突出多圈层及其相互影响，注重从大气圈拓展到水圈、生物圈、冰雪圈、岩石圈的相互作用来理解全球气候变化及气候系统的运动和过程，探讨不同时空尺度的气候变率，分析人类活动对气候变化的影响，解决季节、年际特别是未来50~100年气候变化趋势预估等问题。

气候和环境变化及其影响、预测、控制是目前大气科学研究的重要前沿。

促进全球气候系统中各种物理、化学、生物过程的深化认识和定量分析，建立精细大气预报模式成为关键科学问题。

天气、气候、气候变化、大气探测、大气化学、大气物理、大气动力学等研究是大气科学发展的着眼点及突破口。

1）卫星气象研究。

卫星气象学重在研究利用卫星探测各种气象要素的原理和方法、研究卫星资料应用于大气科学各个领域的方式和结果，卫星资料在数值天气预报中的应用、气候与气候变化、环境与灾害遥感、农业气象等是目前的重点领域，卫星垂直探测仪资料同化、红外高光谱探测资料同化等为优先主题。

目前中国气象卫星寿命较短、规划布局不尽合理、遥感仪器技术性能较低、应用系统能力和水平较差。

未来发展中，应集中有限资金和技术力量，加强有效载荷研发，突破长寿命、高可靠性等关键技术，通过“一星多用”、组网观测实现持续、稳定、综合观测；促进遥感仪器时、空分辨率和探测性能向“高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射精度、全球、全天候、多波段观测”发展；融合处理微波、红外、可见光多频段多通道资料，利用被动遥感仪器及测雨雷达、激光雷达、散射计等主动遥感设备及数据，获取全球降水、土壤湿度、风场、大气气溶胶垂直廓线等定量信息；提高卫星资料定标定位、遥感应用定量化水平，促进遥感资料在数值预报预测中得到充分应用。