第三章 中期数值天气预报
一、数值天气预报概念,
根据大气动力学和热力学定律，建立
基本方程组，应用数学物理方程的数值积
分方案，对未来的天气形势和气象要素作
出预报的方法。
二、中期数值天气预报历史
1、国外,
（ 1）世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家
Richardson, 但由于只有一台手摇式小计算机，另外他的模
式中包含了大量的物理过程，因而影响了他的工作，所得结果
与实际不符。
（ 2） 20世纪 40年代，世界上第一台电子计算机的问世，数学家
John von Neumann 解决的第一个问题是预报天气形势。以
Charney 为首的一批科学家在其第一次数值天气预报中是用滤
去声波和重力波的简化方程组，因过于简单未成功。
（ 3） 1956年,Phillips 在这个 简化方程组中加了几个强迫作用
项，进行长期积分，给出了大气环流的许多特征。
（ 4）此后，数值天气预报迅猛发展。到 20世纪 70年代中期以来，
由于波谱技术的应用，所以目前许多国家都采用谱模式制作全
球或半球的中期数值天气预报，并取得了较大的成功，其中，
以 ECWMF的 中期数值天气预报水平最高。
2、国内,
（ 1）我国中期数值天气预报起步较晚,发展较快 。
（ 2） 1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方
程组数值预报模式，为我国开展中期数值天气预报奠定
了基础,
（ 3）国家计委于 1984年 5月正式批准了国家气象中心以
建立中期为主 的数值预报业务系统的扩建工程项目,
国家科委也把发展中期数值天气预报定为“七五”期间
重点科研攻关项目。经多方面专家的反复研究和科学论
证，国家气象中心决定引进 ECMWF的波谱模式预报系
统。
（ 4） 1990年 1月，国家气象中心在 ECMWF的波谱模式
的基础上加以改进的中期数值天气预报 T42L9 的谱模
式和整个中期数值天气预报业务系统一起投入业务运行，
经过一年的预报实验，证明了系统性能稳定可靠，并于
1991年 1月正式转为业务运行。
第一节 中期数值天气预报的物理基础
一、基本方程组
1.基本方程组的一般形式
(3.1)
1
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( 1 0.60 8 )
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2,适于中期数值天气预报的球谱模式的基本方
程组（不考虑水平扩散和非绝热项） P24~25
8个方程
(1)绝对涡度方程
（ 3.2）
(2)散度方程
（ 3.3）
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(3)热力学方程
（ 3.4）
(4)状态方程
(3.5)
(5)水气通量方程
(3.6)
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(6)地面气压的倾向方程
(3.7)
(7) 坐标中的垂直速度方程
(3.8)
(8)P坐标中的垂直速度方程
(3.9)
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4.短、中模式大气的含义比较
必须根据不同时空尺度大气运动的特点和预报时效
的长短等设计各种能近似地考虑 摩擦、非绝热加热
和水气源汇影响 的大气模式。
超过 3-4天 的预报就必须考虑 海面对大气 的影响，
这时所需要的初始资料至少要 北半球范围,甚至还
要扩展到 另一个半球 。
对于 一周 以上的预报，则需要使用包括 大气和海洋
各种动力过程的完整的动力学模式，需要 全球各层
的观测资料。
预报 时效越长,需要考虑的 物理过程越多,所需 初
始资料越多 。
二、控制大尺度大气运动的主要物理过程
及其参数化
（一）大气 内部 非绝热加热作用
1.辐射热流量（短波（臭氧、云等）、大气内部长
波（云,CO2,水汽等））
2.凝结热流量（ 1）大尺度凝结（锋面）,（ 2） 小
尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两
种方案,（ 对流调整方案（空气饱和、空气未饱
和）、水汽辐合方案（郭晓岚方案及假设、积云
产生的条件、模式云、降水））
3.湍流热量（大气内部各层之间温度差异）
（二）下垫面的影响
1、下垫面的热力作用
感热、水汽输送（潜热）、长波辐射。
2、地形的动力影响（阻塞、摩擦、绕流、
爬坡），如青藏高原、落基山（背风槽和龙
卷风）。
3、其它（植被、水面、土壤湿度和温度等）
地形描写不好是我国降水模拟不好的主要原因
之一。
（ 三）行星边界层和边界条件对大气运动的作用
1、行星边界层距离地面 1~1.5km。
2、下垫面供给大气热量和水分的实质表现为动量
通量、热量通量和水汽通量，都发生在行星边界
层内。这些通量要到达自由大气，必须通过行星
边界层。
3、用大尺度运动变量来表达行星边界层内的小尺
度过程，这就是所谓的参数化方法。
（四）大气的边界处理（上、下,侧边界）。
第二节 欧洲中期天气预报中心业务系统
一、几种预报模式预报水平的比较
ECWMF最高,日本气象厅次之。
二,ECMWF资料的 四维同化
它的 基本思想 是假定观测资料有充分的准
确性，在全球模式数值积分期间可以使用任
何观测资料来代替预报值，只有当没有观测
资料可用时才利用预报值,ECWMF使用这
种间断式同化方法，主要目的是为本中心的
业务预报模式提供 初始场 。
三、物理过程参数化
辐射参数化
地形重力拖曳力效应参数化
地表植被层参数化
第三节 中期数值预报产品的解释与应用
中国气象局气象事业发展的总规划,
建立起, 以数值天气分析预报产品为基础,结合运用动力学、
统计学、天气学、人工智能等方法，结合本地区的天气、气候特点
和预报员经验，发展具有本地区特点的预报技术、方法，进行分片
或 分地区预报,以加强对基层气象台站 的天气预报指导能力和提
高本地区天气预报准确率,建立和健全 从中央到地县由上向下逐
级指导、大中小尺度相结合的适合我国国情的天气预报业务技术流
程和灾害性天气预警系统, （新的气象事业发展战略）
释用的概念,
指在数值预报模式输出产品的基础上，结合预报员
的经验，考虑本地区的天气、气候特点，综合运用动力学、
统计学、天气学、人工智能等各种方法对模式输出的产品
进行解释和再分析，并经过必要的订正，应用于本地区的
天气预报。
释用的必要性
1.业务数值天气预报模式的局限性
（预报结果存在误差，需要修正、订正）。
（ 1）计算机的能力和速度限制了模式的水平分辨率和垂
直分辨率的提高，导致误差（ 连续场变为离散场 ）。
（ 2）计算机能力的限制制约着模式中物理过程参数化方
法的准确性,导致误差（静力平衡－非静力平衡）。
（ 3）模式 初始场 与大气真实场之间有差异导致误差。
（ 4）格点预报量向站点要素量转换时的误差。
（ 5）模式量转换为要素量使用的统计关系和诊断方程导
致误差。
释用的必要性
2.目前气象业务单位所能得到的中期数值预
报产品主要是 500hPa 高度场、地面气压
场 等形势场预报结果，但气象保障服务要
求的是具体的气象要素预报，所以必须将
形势预报转化为具体的要素预报，才能真
真的发挥中期数值预报的作用。
释用方法
天气学释用、统计学释用、动
力学释用,人工智能释用、有
限模式增强预报、专业数值预报
模式、动力延伸预报、人机对话
实时业务系统。
一、天气学预报方法的移植和应用,
即根据中期数值天气预报产品提供的天
气形势预报结果，应用天气学基本原理
进行物理分析，判断在这种天气形势下
可能出现怎样的天气过程。在结合预报
地区的自然地理条件等因素，作出具体
的要素预报。
二、数值预报产品的误差分析和订正,
系统误差 。
第四节 中期数值预报产品应用的
自动化系统
一、基本思想和关键技术
1、基本思想,
客观化,不会因操作人员的因素而改变预报
结果。
定量化,结论是定量的，不会因不同的用户
而产生不同的理解。
自动化,系统可以自动地采集所需中期数值
预报产品，并作必要的加工处理最后自动输
出预报结果。
2、关键技术
（ 1）中期数值预报产品的采集和处理技术,
根据地理位置，选择一份或多份报文；
报文拼接；
译码、检误、补缺、纠错等。
（ 2）中期数值预报产品的再加工技术,
根据提供的 500hPa高度场和地面气压场，计算一
些波谱指数、西风环流指数、副高特征指数等。
（ 3）合理的预报技术（核心）,
PPM法,MOS法和相似预报法等。
二、系统结构和功能
1、实时数据采集和处理
2、数据产品再加工
3、数据库及其管理（实时数据库和历史个
例数据库（用户建立））
4、预报制作（上述三种方法）
5、打印输出
一、数值天气预报概念,
根据大气动力学和热力学定律，建立
基本方程组，应用数学物理方程的数值积
分方案，对未来的天气形势和气象要素作
出预报的方法。
二、中期数值天气预报历史
1、国外,
（ 1）世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家
Richardson, 但由于只有一台手摇式小计算机，另外他的模
式中包含了大量的物理过程，因而影响了他的工作，所得结果
与实际不符。
（ 2） 20世纪 40年代，世界上第一台电子计算机的问世，数学家
John von Neumann 解决的第一个问题是预报天气形势。以
Charney 为首的一批科学家在其第一次数值天气预报中是用滤
去声波和重力波的简化方程组，因过于简单未成功。
（ 3） 1956年,Phillips 在这个 简化方程组中加了几个强迫作用
项，进行长期积分，给出了大气环流的许多特征。
（ 4）此后，数值天气预报迅猛发展。到 20世纪 70年代中期以来，
由于波谱技术的应用，所以目前许多国家都采用谱模式制作全
球或半球的中期数值天气预报，并取得了较大的成功，其中，
以 ECWMF的 中期数值天气预报水平最高。
2、国内,
（ 1）我国中期数值天气预报起步较晚,发展较快 。
（ 2） 1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方
程组数值预报模式，为我国开展中期数值天气预报奠定
了基础,
（ 3）国家计委于 1984年 5月正式批准了国家气象中心以
建立中期为主 的数值预报业务系统的扩建工程项目,
国家科委也把发展中期数值天气预报定为“七五”期间
重点科研攻关项目。经多方面专家的反复研究和科学论
证，国家气象中心决定引进 ECMWF的波谱模式预报系
统。
（ 4） 1990年 1月，国家气象中心在 ECMWF的波谱模式
的基础上加以改进的中期数值天气预报 T42L9 的谱模
式和整个中期数值天气预报业务系统一起投入业务运行，
经过一年的预报实验，证明了系统性能稳定可靠，并于
1991年 1月正式转为业务运行。
第一节 中期数值天气预报的物理基础
一、基本方程组
1.基本方程组的一般形式
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(3)热力学方程
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必须根据不同时空尺度大气运动的特点和预报时效
的长短等设计各种能近似地考虑 摩擦、非绝热加热
和水气源汇影响 的大气模式。
超过 3-4天 的预报就必须考虑 海面对大气 的影响，
这时所需要的初始资料至少要 北半球范围,甚至还
要扩展到 另一个半球 。
对于 一周 以上的预报，则需要使用包括 大气和海洋
各种动力过程的完整的动力学模式，需要 全球各层
的观测资料。
预报 时效越长,需要考虑的 物理过程越多,所需 初
始资料越多 。
二、控制大尺度大气运动的主要物理过程
及其参数化
（一）大气 内部 非绝热加热作用
1.辐射热流量（短波（臭氧、云等）、大气内部长
波（云,CO2,水汽等））
2.凝结热流量（ 1）大尺度凝结（锋面）,（ 2） 小
尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两
种方案,（ 对流调整方案（空气饱和、空气未饱
和）、水汽辐合方案（郭晓岚方案及假设、积云
产生的条件、模式云、降水））
3.湍流热量（大气内部各层之间温度差异）
（二）下垫面的影响
1、下垫面的热力作用
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2、地形的动力影响（阻塞、摩擦、绕流、
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3、其它（植被、水面、土壤湿度和温度等）
地形描写不好是我国降水模拟不好的主要原因
之一。
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1、行星边界层距离地面 1~1.5km。
2、下垫面供给大气热量和水分的实质表现为动量
通量、热量通量和水汽通量，都发生在行星边界
层内。这些通量要到达自由大气，必须通过行星
边界层。
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（四）大气的边界处理（上、下,侧边界）。
第二节 欧洲中期天气预报中心业务系统
一、几种预报模式预报水平的比较
ECWMF最高,日本气象厅次之。
二,ECMWF资料的 四维同化
它的 基本思想 是假定观测资料有充分的准
确性，在全球模式数值积分期间可以使用任
何观测资料来代替预报值，只有当没有观测
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业务预报模式提供 初始场 。
三、物理过程参数化
辐射参数化
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第三节 中期数值预报产品的解释与应用
中国气象局气象事业发展的总规划,
建立起, 以数值天气分析预报产品为基础,结合运用动力学、
统计学、天气学、人工智能等方法，结合本地区的天气、气候特点
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高本地区天气预报准确率,建立和健全 从中央到地县由上向下逐
级指导、大中小尺度相结合的适合我国国情的天气预报业务技术流
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释用的概念,
指在数值预报模式输出产品的基础上，结合预报员
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统计学、天气学、人工智能等各种方法对模式输出的产品
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天气预报。
释用的必要性
1.业务数值天气预报模式的局限性
（预报结果存在误差，需要修正、订正）。
（ 1）计算机的能力和速度限制了模式的水平分辨率和垂
直分辨率的提高，导致误差（ 连续场变为离散场 ）。
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释用方法
天气学释用、统计学释用、动
力学释用,人工智能释用、有
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实时业务系统。
一、天气学预报方法的移植和应用,
即根据中期数值天气预报产品提供的天
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地区的自然地理条件等因素，作出具体
的要素预报。
二、数值预报产品的误差分析和订正,
系统误差 。
第四节 中期数值预报产品应用的
自动化系统
一、基本思想和关键技术
1、基本思想,
客观化,不会因操作人员的因素而改变预报
结果。
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而产生不同的理解。
自动化,系统可以自动地采集所需中期数值
预报产品，并作必要的加工处理最后自动输
出预报结果。
2、关键技术
（ 1）中期数值预报产品的采集和处理技术,
根据地理位置，选择一份或多份报文；
报文拼接；
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根据提供的 500hPa高度场和地面气压场，计算一
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（ 3）合理的预报技术（核心）,
PPM法,MOS法和相似预报法等。
二、系统结构和功能
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例数据库（用户建立））
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5、打印输出
