数值天气预报原理_数值天气预报的数学物理基础

1.数值天气预报的介绍

2.天气预报为什么常常不靠谱？

3.数值天气预报的模式诞生

数值天气预报的介绍

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。

天气预报为什么常常不靠谱？

天气系统并不仅仅是大气圈的事，它是一个综合系统，是五大圈层共同作用的结果，人类尚且对大气运动中的规律认识还非常有限，对于五大圈层的交互作用知之甚少，此外在全球气候变暖的背景下，极端天气气候发生的概率和频率增加。而青藏高原的影响，局地地形可以让气象的风云变幻更加诡秘，青藏高原的影响甚至大到可以改变全球天气气候。

1、天气预报是怎么做出来的？

首先是收集气象数据

从地面到高空、从陆地到海洋

全方位、多层次地观测大气变化

然后计算机将收集到的数据

进行处理和运算

得到天气图、数值预报图等产品

进而专业人员对数据

进行分析，作出初步预报

常用有两种方法：

一种是传统的天气学方法

就是对天气图上的各种气象要素进行分析

数值天气预报

另一种是数值预报方法

它是靠计算机“算出来”的

由于大气的运动遵循一些已知的物理定律

可将大气运动状态写成一组偏微分方程

解出方程组随时间变化的变量值

据此得到大气的未来状况

2、天气预报为什么常常不靠谱？

天气系统并不仅仅是大气圈的事

它是一个综合系统

是五大圈层共同作用的结果

人类尚且对大气运动中的规律认识还非常有限

对于五大圈层的交互作用知之甚少

此外在全球气候变暖的背景下

极端天气气候发生的概率和频率增加

这就给原有的大气系统又增添了

新的天气特点和气候变化的规律

而中国天气系统特殊的复杂因素

还在于多了一个“第三极”

也就是青藏高原的影响

局地地形可以让气象的风云变幻更加诡秘

青藏高原的影响甚至大到可以改变全球天气气候

3、为什么气象预报中要广播天气形势？

我们收听气象广播的时候

总是有一节专门介绍当时的天气形势

有些人认为对本地天气关系不大

但是气象台站和学校里的气象小组

却很关心这种天气形势的报告

欧洲天气形势图

它不但能使气象工作者了解当时大范围的天气情况

还能预测本地区即将到来的气压系统

有助于做好本地区的天气预报

卫星云图

由于天气系统有这种移动的规律

因此要作出较正确的天气预报

除了掌握当地气象资料外

还必须掌握大范围天气系统的分布

及其加强、减弱和移动状况

数值天气预报的模式诞生

当时分析天气图和读取数据等工作，都是人工进行的，这些工作所费的时间，比当时在电子计算机上的计算时间（试验）大10倍左右。为了提高工作效率并减少人为的误差，从1954年起，人们相继提出一些用电子计算机进行客观分析和自动处理资料的方法。不久，从收报到分析预报，都开始实现了自动化。20世纪50年代后期，人们发现，用准地转模式所作的预报有很大的局限性，预报的系统强度变化不大。以后，虽然用平衡模式，效果有所提高，但由于所用方程的阶数较高，若进一步考虑物理因素，可能给计算带来困难。1956年，A.埃利亚森提出用考虑重力波的原始方程模式制作预报的方案。1959年，K.欣克尔曼用原始方程模式作预报，获得了成功，其效果不低于准地转模式。但他和理查孙的作法不同,是在认识了快速重力波的性质，并取新的措施（如缩短时间步长、滤去重力外波等）之后进行的。1960年，美国发射泰勒斯气象卫星成功，为提供沙漠和海洋等地区的气象资料找到了新的途径。随着动力气象和计算技术的发展，原始方程模式预报的效果逐渐超过准地转模式预报，到70年代初期，已比较普遍地用它作业务预报了（见大气模式）。