數值天氣預報

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一个根据數值天氣預報模型而作出的预测结果;此处位势高度为500毫巴

數值天氣預報,或稱數值天氣預測天气数值预测數值預報,是一种根据大气的数学模型、利用当前天气状况作为输入数据而作出天气预报的手段。尽管早在1920年代时已有人作出过尝试并取得一定成果,但直到计算机和计算机模拟出现之后,天气数值预测才成为一种切实可行的实时天气预报方法。为了得到有用的预测结果,有时必须用到世界上最强大的超级计算机来操纵巨大的数据集和进行复杂的计算。许多天气预测模型,无论本身是全球性或是区域性的,或多或少都为全球天气预报提供帮助。将这些模型一同使用,能够降低天气预报的不确定性,以及将可预测的时间范围延伸到更远。

歷史[编辑]

1904年 挪威氣象學家皮耶克尼斯提出天氣預報的求解方程概念

1922年 英國氣象學家里察德森藉由一串數值方法求近似解。由於當時還沒有電腦的發明,又計算十分複雜,他花了6個星期的計算才完成6小時預報,最終以異常增加145百帕的差距做收

1952年 菲利普斯將大氣簡化成垂直兩層,並導入斜壓方程

1956年艾利亞森將重力波導入了原始方程。

諾曼菲利普斯發展了成功模擬實際對流層的月及季的型態的數值模式,成了第一個成功的全球氣候模式

初始資料[编辑]

初始資料蒐集

氣象站、氣象雷達、探空氣球、海上浮標、氣象衛星

資料同化

將蒐集到的觀測資料與現有的預報資料統合成最佳的結果,使模式有最小的初始誤差當初始場做預報。方法有:

系集卡爾曼慮波(EnKF)、三維變分資料同化(3DVAR)、四維變分資料同化(4DVAR)

物理參數化[编辑]

由於模式的網格動則數十公里至數百公里,有一些微物理過程發生在幾公尺的尺度內,無法被模式解析,所以以參數作為替代及簡化的方案。例如:積雲參數化、輻射參數化、對流參數化、海冰冰點

網格[编辑]

等經緯網格、正八面體高斯遞減網格

高斯遞減網格:在模式解析度越來越高的情況下,等經緯網格在兩極會過於密集,為了避免因為網格過密產生不必要的計算而發展出高斯遞減網格,越往高緯度則東西方向的格點會遞減。

垂直座標

廣義座標、等壓座標、對數氣壓座標、sigma座標、等位溫座標

系集預報[编辑]

由於模式預報的不確定性,當預報一段時間後誤差便會被放大,而發展出多模式的預報取代單一預報。藉由多模式之間的物理參數差異、初始擾動、隨機擾動趨勢…等方法,讓這些差異盡可能包圍誤差範圍。如颱風的系集預報,提供防災人員了解颱風路徑可能的誤差範圍以提早應變,避免單一模式的果斷預報。預報後的這些成員平均又可以將極端值平均掉,做最保守的預報。

延伸閱讀[编辑]

  • Beniston, Martin. From Turbulence to Climate: Numerical Investigations of the Atmosphere with a Hierarchy of Models. Berlin: Springer, 1998.
  • Kalnay, Eugenia. Atmospheric Modeling, Data Assimilation and Predictability. Cambridge University Press, 2003.
  • Thompson, Philip. Numerical Weather Analysis and Prediction. New York: The Macmillan Company, 1961.
  • Pielke, Roger A. Mesoscale Meteorological Modeling. Orlando: Academic Press, Inc., 1984.
  • U.S. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration, National Weather Service. National Weather Service Handbook No. 1 - Facsimile Products. Washington, DC: Department of Commerce, 1979.

外部連結[编辑]