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天气诊断分析9
第八章数值预报及其产品应用技术
§8.1概述
为什么要使用数值预报产品?
必要性和意义何在?
8.1.1数值天气预报在大气科学中的作用和地位
数值天气预报的水平已成为衡量大气科学发展水平的重要标志之一,它在大气科学中的作用和地位主要表现在以下几个方面。
8.1.1.1数值预报是促进大气科学各分支领域发展的动力之一
大气探测+天气分析动力气象理论大气数值模式数值模拟业务数值预报。
1)大气探测是大气科学其他分支领域赖以发展的基础,也是数值预报发展的基础,数值预报则向大气探测提出了更高的要求。
没有定量的气象观测,就不可能有天气分析和预报方法;没有高空大气探测,就没有动力气象学的创立和发展,也就没有数值天气预报了。
数值预报的发展则向大气探测提出了更高的要求。
例如,目前卫星资料的反演、利用,包括卫星资料在内的综合四维资料同化,已成为发展数值预报的专门研究课题;中尺度数值预报要求有时、空密度和精度更高的探测资料;中期数值预报和气候模拟及其预测,则需要海温、陆地表面和冰雪状况、臭氧,甚至火山爆发、太阳黑子等非大气现象的观测资料。
海洋、沙漠、高原地区稀疏的气象测站本已不能满足数值预报的需要了。
2)气象通信及计算机技术,是数值预报的命脉,数值预报要求不断改进通信技术,提高计算机性能。
3)天气分析和理论研究导致了数值预报的诞生,数值预报的发展促进了天气分析和理论研究的发展。
天气分析开始都是静态的描述,定性的分析。
直到Rossby长波理论,动力气象学逐渐形成并迅速发展,最终导致数值模拟和数值天气预报的诞生。
数值模拟和预报开展以后,反过来对天气分析和理论研究产生了深刻的影响。
如对垂直速度、涡度、散度、水汽通量、水汽通量散度、能量场等进行诊断分析,使对天气的分析从定性走向定量。
数值模拟和预报中涉及的问题,都为理论研究提出了新的课题和要求。
8.1.1.2数值预报是揭示大气运动规律的有力武器
分析研究大气运动规律的方法,大体上可分为三大类:
理论分析法、统计分析法和实验分析法。
理论分析法依据天气观测的事实,应用天气分析方法和热力学、流体力学的概念与原理,了解天气系统的分布和空间结构、演变过程及其与天气变化的关系,揭示大气热力、动力过程的基本规律,而且指出这些规律的实践意义,既为制作天气预报提供定性的依据,也可指导观测实验研究的开展。
作为补充和发展,大气科学研究中还使用了统计分析和实验分析的方法。
统计分析法运用概率统计理论和回归分析、判别分析、聚类分析、时间序列分析、主分量分析、谱分析等方法,从大量的历史气象资料中寻找大气现象间的统计规律或相互关系,如平均的气候状况,前期的气象要素或物理量与未来天气的关系等。
并能从统计的意义上找出影响某种天气或天气过程的主要因素,甚至可发现一些理论分析中难以推断出的事实,为寻求理论上的证明提供线索,为检验数值模拟与数值预报模式的性能或调整模式中的有关参数提供依据,因此也是改进数值模拟、数值预报所不可缺少的分析研究方法。
统计方法不但因可直接用于天气预报而发展为又一门新的学科——统计天气预报,它与动力学方法的结合——统计动力法,则为动力模式的改进和数值预报产品的应用开辟了一条新途径。
实验分析法主要包括实验室模拟和数值模拟。
在实验室实验或在计算机上对模式进行时间积分来仿真地研究大气变化情况,这就是实验室物理模拟和计算机数值模拟。
要使实验室模拟和真实大气运动之间达到完全一致的动力与热力相似是永远不可能的。
所以说,实验室模拟具有难以克服的局限性。
数值模拟则开创了大气科学研究方法的新纪元,成为大气科学发展的必由之路。
数值预报和数值模拟的差异主要在于前、后处理略有不同,数值模拟通常用理想初始条件,而数值预报则必须用实时初始资料,但它们所用的主体数值模式和原理是一致的,所以在论及对大气科学的贡献时,常将它们混为一谈。
数值模拟既是理论与实践的结合,又是技术与应用的结合,它是理论分析、物理原则、计算方法、数值试验和模式评价五位一体,既交叉又综合的研究方法。
它不受被模拟对象的空间、时间尺度约束,无论瞬变的小尺度湍流,还是行星尺度的气候变化都可用以研究,这是实验室模拟难以比拟的;它能对被模拟对象进行控制和区分研究,即既可用以研究一种复杂现象总体之间的相互作用,又可对复过程中某些因子的影响进行控制和对比试验,既可模拟经简化的理想模式大气,又可预报复杂的实际大气演变。
因此,数值模拟(数值预报)是一个非常理想的“数值实验室”,是揭示大气运动规律的有力武器。
8.1.1.3数值预报使天气预报的技术产生了深刻的变革
天气预报理论和技术的理论基础是天气学和动力气象学。
若把1820年Brands绘制第一张天气图作为近代天气分析和天气预报的开始,至今已有180年了。
直到数值预报方法业务化之前,制作预报主要靠天气学和动力气象学理论指导下的定性分析和经验判断。
数值预报的成功和发展使天气预报技术发生了深刻的变革。
由于其客观、定量和日趋提高的预报能力,到20世纪80年代全世界就有30多个国家和地区的气象部门把数值天气预报方法作为制作日常天气预报的主要方法,逐渐形成了天气预报技术的三类基本模式:
根据天气学原理和经验建立的、以物理定性关系为主的天气学模式;由当前气象要素与未来天气之间的统计关系建立的统计学模式;利用当前气象要素的分布与未来天气之间的物理定量关系建立的动力学模式。
相应的基本预报方法即天气图方法、统计预报方法和数值预报方法。
至今,天气形势的预报,尤其是短期形势预报,基本上可以依赖数值预报了;中期形势预报已从梦想变为现实;部分要素预报也可直接取自数值预报结果,数值预报的内容,已从过去单一的形势预报发展到包括气压、温度、湿度、风、云和降水等气象要素在内的预报;预报的范围从对流层扩展到乎流层,从有限区域扩大到半球和全球;预报时效从1-2天的短期预报延长到3-10天左右的中期预报。
预报员的工作程序和预报思路也发生了相应的变化。
8.1.2数值预报产品应用在天气预报业务中的作用和意义
8.1.2.1应用数值预报产品是发展气象业务现代化的必然要求
早在1976年,世界气象组织较系统地总结应用途径的三个主要方面:
①以大尺度数值预报的结果作为边界和初始条件,利用中尺度数值模式进行区域的或局部地区的中尺度天气预报;
②通过人机结合,由预报员根据天气学原理或统计数据,对数值预报产品进行人工订正,从而对天气形势做出诊断分析;
③数值预报的统计解释,即以数值预报产品作预报因子,用统计学方法进行气象要素预报。
直到目前为止,MOS预报等应用数值预报产品的重要方法仍是国际上通行的业务预报方法
我国早在1983年,国家气象局就指出:
以数值预报方法为基础,综合运用动力学、天气学和统计学等各种预报方法制作天气预报,是我国短期天气预报技术的发展方向。
1993年4月1日又明确指出:
建立以数值天气分析预报产品为基础,以人机交互工作站为主要手段,综合应用多种技术、方法和信息,具有逐级指导和较高自动化水平的现代天气预报业务技术流程,逐步建立相应的天气预报业务技术规范。
数值预报业务系统的主要流程是:
观测资料的收集和处理客观分析+初始化+预报模式运行+预报产品的输出和分析预报发布。
开展数值预报的必要条件是:
①有性能相宜的计算机;
②有良好的通信条件,保证实时原始资料的供应。
8.1.2.2数值预报产品的应用改变了预报业务的传统工作程序和思路
用传统天气预报:
先从实况形势分析人手,采用运动学方法和物理分析等方法作出形势预报,而且通常先作高空形势预报再作地面形势预报,着重报出高空、地面影响系统的强度变化和移动情况,然后在形势预报的基础上再作具体的要素预报。
有了数值预报产品,形势预报准确率已明显高于人工主观预报,预报员的重点是在数值预报的基础上,综合运用天气学、动力气象学等有关知识和天气实况、卫星云图等资料的演变情况,判断数值预报结果是否有明显的不合理现象。
若无,使用数值预报结果;若有,才作出订正预报。
对于要素预报,可有两条途径:
一是定性判断,二是定量计算。
定量计算,就是MOS等数值预报产品的定量应用方法的运用,本章第5节将作专门介绍。
定性判断则有两套预报思路:
一是以数值预报作出的形势预报为基础,运用天气学概念模式,作出可能出现何种天气的判断,这与传统预报思路类似,只不过不需作形势预报了;二是对数值预报能够预报的要素,以数值预报的结论为基础,再综合分析数值预报给出的形势、物理量等产品,看其分布和配置是否与所预报的要素情况相矛盾。
8.1.2.3数值预报产品的应用有利于提高预报水平和保障能力
数值预报产品的应用有利于提高预报水平,是不言而喻的。
在野外机动或远洋作训的气象保障中,常规气象资料常难收集完整,因而常规的预报保障方法常发生困难,而数值预报产品传真图则成为气象保障人员的有力武器,这已为不少实例所证明;中期预报过去主要依靠统计等方法作天气过程或趋势预报,有了中期数值预报产品后,预报员对数天以后的空中、地面形势一目了然,对降水等要素的变化也有了参考意见,预报保障更有把握。
这些事实都表明,数值预报产品的应用毫无疑问地提高了气象保障能力。
§8.2数值预报产品的接收和预处理
数值预报产品可以是自己的数值预报系统制作的,也可以来自于其他气象业务单位,此处主要指的是后者。
数值预报产品的发布有两种形式:
一种以图形的格式,另一种以格点报文的格式。
8.2.1数值预报图的接收和预处理
8.2.1.1数值预报图的接收
数值预报图的发布和传输,目前主要有两种方式:
一种是传真方式,另一种是文件方式。
由于数值预报图在相当长的时间里都是用传真方式传输的,并称之为传真图,以至于后来出现以文件方式传输的数值预报图时,人们还习惯于称其为传真图。
传真方式又分有线传真和无线传真两种。
有线传真需在收、发端之间架设传输线,无线传真则要在收、发端各安装接收天线和发射天线。
两种方式的传真在接收端都需要气象传真机作为传真图的记录和输出设备。
目前世界上气象传真图的发布台很多,分布各大洲,知道了它们的频率、呼号即可接收。
广播的内容和时间则可查阅有关资料,或通过试收来了解。
8.2.1.2数值预报图的预处理
对数值预报图的预处理,也叫作再分析。
预报员对接收到的数值预报图进行必要的加工分析,不但使之便于使用,更重要的是通过加工分析过程,加深对天气系统的分布、结构、演变等情况的了解,这是应用数值预报图提取预报信息的重要步骤。
预处理通常把预报相关区作为重点,其主要工作如下:
(1)在每张预报图上以红五星或小红旗标出本站所在位置,便于了解各天气系统、物理量分布与本站的相对位置和距离。
(2)对地面、高空的各主要高、低压系统中心及冷暖中心、物理量中心(正、负涡度中心;上升、下沉运动中心等),可根据过去、当时和预报的位置描出移动路径。
各中心(包括热带气旋和台风)可用规定的颜色和符号标注出来。
(3)根据预报的风矢和等压线,结合历史和当时实际的锋面情况,参考850hPa温度场预报结果,用相应的彩色铅笔分析出预报的锋面位置。
(4)根据预报的等高线或风矢,用相应的彩色铅笔分析出预报的槽线、切变线位置。
(5)为区别对天气影响有明显数值界线的物理量分布情况,对正负涡度区和上升、下沉运动区可分别用红、蓝颜色轻涂;对湿区(T—Td≤3cC)、水汽通量大值区(如≥60的区域)、降水区可轻涂绿色;对降水量≥50mm的区域可涂浅红色。
8.2.2数值预报产品格点资料的接收和预处理
8.2.2.1数值预报产品格点资料的接收
1)打印出相应的图形;2)定量的加工和计算。
目前常用数值预报产品格点资料:
1)欧洲中中心数值预报产品;2)国家气象中心数值预报产品T213。
8.2.2.2数值预报产品格点资料的预处理
格点报预处理的主要任务是对报文的翻译和对数据定位,具体为:
①判明该格点报的预报内容、预报时效等;
②对报文中数字进行按数位分割、放大或缩小还原、正负号判定;
③错报判定及处理;
④将数据在相应网格点上定位等;
⑤按本单位使用需要,对经处理的数据以一定的格式重新存盘备用
§8.3数值预报误差的分析和订正
8.3.1产生数值预报误差的主要原因
8.3.1.1可预报性问题——认识数值预报误差的基本观点
数值预报本来是基于决定论的观点的:
各种物理系统的变化遵循一定的自然法则,系统的未来状态就由这些法则和初始状态所确定。
法国著名科学家拉普拉斯就认为,宇宙在给定时刻的状态可由适合无数的微分方程的无数个参数决定。
根据决定论的观点,大气系统,其性状可用三个空间变量,一个时间变量来描述。
对大气运动在空间和时间上的变化的研究,可转化为求方程在给定的边界条件和初始条件下的解的问题。
许多自然科学家都持决定论的观点,如挪威气象学家V.皮叶克尼斯在1904年就提出,天气预报的中心问题是:
已知大气状态在一个时刻的观测值来解一般形式的流体运动学方程。
他说,大气在未来任何时刻的状态是由其现在的状态决定的。
然而,事情绝非那么简单。
通过数值模拟和数值天气预报的实践,人们发现,两个初始场状态稍有不同的个例,用同一个数值模式作积分,随着时间的推移,积分结果的差异越来越大。
因此,未来天气状态是既可以预报,又是不可预报的,即存在一个可预报期限,在此期限内是可预报的,超过这个期限是不可预报的。
从确定论基础上建立起来的数值天气预报走向了不确定。
Lorenz等分别用经验和数值模式,非线性系统分析,动力学分析等方法研究了可预报性问题,结果表明:
对于中小尺度(如105m)天气系统,可预报性时间仅为1天;对于106m量级的天气系统,可预报时间尺度约为2—5天;对于107m量级的天气系统,可预报时间尺度约为4—20天。
因此,逐日的天气尺度的预报做到10天还可以有相当好的准确率,到两周还可以有超过随机猜测的水平,但是三周以上的逐日预报至少在现有的技术水平下是不可能的。
8.3.1.2产生数值预报误差的原因分析
1.数值模式所描述的大气运动物理过程是有限的
我们现在所用于数值预报的数值模式的主体是一组通常由运动方程、连续方程、水汽方程、热力学方程和状态方程组成的非常复杂的方程组。
那么这个方程组是否足以描述大气运动中的一切物理现象和规律了呢?
回答应该是否定的。
主要原因是至今人们对大气运动的有些规律还知之不多,有的大气现象甚至还得不到合理的解释,因此,要把未知或知之不多的大气运动规律包括到数值模式中是不可能的。
也就是说,拉普拉斯所期待的能写出所有方程的“无所不知的大天才”至今还未发现。
例如,关于气候模拟和预测问题,是当今大气科学的一个热门研究课题。
人们已知道,大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈中发生的物理和化学过程相互作用相互影响,构成了一个整体气候系统。
但我们至今对气候及其变化的认识还十分肤浅,对一些主要的物理过程还了解甚少,甚至对自然因素和人为因素在气候变化中的相对重要性问题也难以作出明确的解答。
因此,要搞清楚五个圈中发生的物理、化学过程的规律,并分别用数学的语言将这些规律表示出来,形成数值模式,再将这些模式耦合起来用于气候的数值模拟和预测,是何等艰巨的问题。
又如,数值模式对地表、地形的描述不可能精细到与变化着的实际情况完全一致;对复杂陡峭地形下造成的精确计算上的困难,还没有一种能完全克服这一难题的方法;对于区域模式而言,边界条件的处理很难做到完全合理;谱模式中,又总存在波数的截断误差问题。
所以现用数值模式肯定未能包括大气现象的一切规律。
而且,众所周知,我们所用的数值模式通常是在许多假定条件下,作了简化而建立的。
因此,它们通常只能报出大气运动的一般情况,对于模式所没有包括的物理过程,特别是一些特殊的而又常常带来灾害性天气的过程,数值预报常难胜任,预报误差的产生自然就在所难免的了。
2.次网格过程参数化问题难以精确处理
大气现象在时空上是从小到大的各种尺度的连续谱,用场来描述时具有无穷多个自由度。
但要作数值计算只能对有限个数进行,所以不论用格点上的数值(差分法)还是谱系数(谱方法)来描述,都有一些更小尺度的现象表示不出来,这些现象就称为次网格过程。
次网格过程可通过非线性作用对较大尺度现象起很大的累积效应(反馈作用)。
为了反映这种作用,通常采用参数化的方法用大尺度变量来表示次网格过程。
例如,对流调整、郭晓岚对流参数化方案、荒川—舒伯特(Arakawa-Schubert)方案等,都是较常用的。
目前参数化主要用统计的方法,半经验的,带有不少的主观随意性。
因此不同的参数化方法导致不同的模式输出结果,谁优谁劣只有靠对预报结果的统计来证明,因而预报误差是在所难免的。
对此问题有两种不同的观点和做法。
一种观点是要通过增加分辨率,使原来属于次网格的某些过程变成模式变量,以致不再需要参数化了。
第二种观点认为,无论引进多少个参数来描述大气这一连续介质的状态,都不可能绝对精确地反映实际现象的无限复杂性,问题的理想化是不可避免的。
按照这种观点,参数化不但需要,而且是一种简化问题必不可少的“技巧”。
因此,对待次网格过程及其参数化问题,除了要看到其不完善性对预报精度的影响外,一方面要向提高模式分辨率的方向发展,但由于分辨率不可能无限提高,所以另一方面还要继续研究、完善有关参数化方案。
只有这样,才可能将次网格过程参数化对预报精度的负面影响降到最低限度。
3.初始场不可能绝对准确
影响可预报时间尺度(可预报性)的主要原因,一是数值模式描述大气运动物理过程的有限性和次网格过程参数化问题,另一方面就是初始误差问题,前者称为模式的可预报性,后者称为大气的可预报性。
Lorenz最早对初值差异与预报误差随时间增长的关系进行了系统的研究。
为了检验统计预报方法的预报能力,他用一个数值预报模式计算几十年的演变情况,并看成实际天气资料,然后用统计方法来作预报。
计算需要好些天,在一次偶然的重复计算时,他发现结果很不一样。
原来,前一天作为初值的有六位数,而输出的只是三位(将第四位四舍五人)。
然而,初值的微小差异,随着时间的增长,结果两者竟变得毫无相似之处。
这种由确定性系统所产生的不确定(随机性),就称为混沌。
被科学界公认为混沌现象第一例的是1963年由Lorenz用后来被称为Lorenz系统的一个方程组所揭示的事实:
其中三个参数,b,r确定了系统的行为。
令=10,b=8/3,r=28,选取适当的时间步长和x,y,z的初值,用四阶Runge-Kutta法求解该方程组。
运算几千步后,画出名随工的变化曲线,就可得到我们在许多介绍有关“混沌”的著作中都可看到的“蝴蝶”图像。
这就是系统输出的既非定常也非周期的解,表明在确定的系统内会出现对初值非常敏感的“混沌”现象。
Lorenz后来(1982)的试验证实了这种误差产生的必然性。
他利用欧洲中期天气预报中心的预报结果,分析了1980年12月1日至1981年3月10日的100天的1—10天的预报。
发现24小时的预报与实况差别很小,48小时后预报误差增大。
用统计方法对全部样本进行分析后表明,最小误差的增倍时间约为2.5天,而误差随时间的变化,与Lorenz早先的假设颇为符合。
即:
既然数值预报是基于确定论的,认为未来的状态是完全由初值确定的,而且解对初值极其敏感,以致直接影响着可预报性界限。
那么能否通过改进初值使之绝对准确,而使可预报性界限无穷增大呢,实际上这是不可能的。
这是因为在数值预报的初值问题上,起码有三方面的困难制约着不可能得到绝对准确的初始场:
一是观测误差。
目前所用的观探测仪器设备的精度是有限的,所用的探测技术是有缺陷的(如高空探测中的气球飘移问题等),因此很难保证探测结果是绝对准确的;
二是资料密度问题。
高空资料密度通常只能适应大尺度数值模式,而远不能满足中尺度模式的需要;在海洋、高原和沙漠地区甚至天气尺度的站网也不完整。
尽管现在开始用四维同化方法和发展卫星探测技术来解决这些问题,但其精度离严格意义上的精确初值还相差十分遥远;
三是客观分析造成的误差。
尽管目前用于客观分析的方法很多,有改进的多项式法、逐步订正法、最优插值法等等。
诸法各有特点,但在将分布不均匀的测站记录分析到分布均匀、适于数值预报使用的格点上时,实际上并不能保证真正意义上的“客观”,总免不了对本不严格精确的原始数据作了一定的“歪曲”。
所以,以此为初始场并在此基础上所作的预报是不可能绝对无误差的。
除上述原因以外,在气象资料传输过程中,在初始条件的处理过程中,还都可能造成部分初始信息的损失,甚至增加误差。
由上可见,数值预报的精度决不是有了数值模式和充分优良的计算机就能解决一切问题的。
数值预报对于初值条件的敏感依赖,不但使得很长时间的预报成为不可能,也使日常数值预报的误差成为不可避免。
值得指出的是,因初值的不确定性而产生的结论不确定,毕竟是在以确定论为基础的数值模式的运行中形成的,因此它仍有许多“确定”之处——统计规律性,因而需要也可以用统计的方法进行处理。
这就是我们后面将要介绍的,应用数值预报产品为什么大多使用统计方法的缘故。
4.计算过程中的舍人误差在所难免
数值预报涉及非常多的计算,而对计算机而言,有一定的字长,每一个变量只能用这种字长的数值来表示,所以每一步计算都有舍人误差的问题。
设某计算机的计算精度为h,计算机表示的数为a,则意味着这个计算机内的数a,实际上是a—h/2≤x≤a+h/2中的某一个数。
所以,尽管计算机的字长在不断提高,微机也达到64位了,但字长的增长不可能是无限的,计算中的舍人误差将在所难免。
数值预报中的计算是如此复杂,计算步骤是如此的多,以至于舍人误差的积累有时显得十分严重。
前面讲到的Lorenz为得到几十年的资料,在一次偶然的重复计算时发现两次计算结果很不一样,这是因为初值改变所致。
而这里初值的改变正是舍入误差引起的(将6位数的初值的第4位作了四舍五人)。
由此可见,舍人误差的问题还与初值问题密切相关,因为在数值积分过程中,每一步总以前一步的结果作为“初值”的,因此舍人误差是初值误差的重要来源之一。
由上述分析可知,基于确定论的数值模式看起来似乎是很严密的,实际上也确实在现有科学技术水平上反映了大气运动的基本规律,因而数值天气预报得到了快速发展。
但是,必须看到事情的另一方面,确定性系统内具有内在的随机性,数值预报中没有绝对准确的东西。
模式反映的物理过程是近似的,初值是近似的,模式参数是近似的,一切数值都是近似值。
根据这些近似值,经过大量的计算(每秒钟计算数千万甚至数亿次,计算数小时、数十小时),每一步计算也都是近似的(有舍人误差),其结果显然也是近似的,不精确的,有误差的。
正确认识数值预报的两面性,即既有它确定性的一面,又有它随机性的一面;既在一定条件一定期限(可预报性期限)内可信,又不可避免地存在误差,这是使数值预报发挥应有作用的思想基础。
8.3.2数值预报误差的分析和订正方法
分析误差是为了改进数值模式或在应用数值预报产品时加以订正。
8.3.2.1天气系统预报误差分析
可着重对影响预报区的天气系统(如高、低压或高压脊、低压槽)进行分析。
分析的方法是将预报结果和出现的实况作对比并进行统计。
分析的内容主要有:
①系统漏报、空报和能正确作出预报的情况;
②系统强度预报误差情况(偏强、正确、偏弱);
③系统移速预报误差情况(偏快、正确、偏慢)。
统计中要注意:
对应系统要批准,如果把预报的系统与一个不相关的其他系统作比较,就会得出错误的结论。
对强度误差和移速误差的分析,最好能定量化,如可用土x经距/12小时来定量描述某类系统的平均移速预报误差。
对同类系统在不同区域、不同季节的预报,误差可能是不同的,故一般应分区、分季节统计。
8.3.2.2气象要素预报误差分析
日常工作中较多进行的是对降水预报的误差分析,此外视需要还可对地面
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