进展数值天气预报发展进程中若干亮点的回顾及其启迪.pdfVIP

气象科技 进展 数值天气预报发展进程中若干亮点 的回顾及其启迪 纪立人 (中国科学院大气物理研究所，北京 100029) 摘要：尝试从方法论的视角，回顾数值天气预报(NWP)早期发展进程中的若干亮点及其启迪。NWP是大气科学的一个分 支，同样具有边缘学科性质和很强的实用性。纵观其发展史，一个新概念新思想的提出，以至新研究领域的开拓，往往 可以看到其他学科成果和NWP 问题的结合，更离不开天气预报实践的需求和启发。从这个角度出发，我们围绕“从理查 逊（Richardson)的‘梦想’到原始方程模式的回归”及“数值预报中历史资料的应用到四维同化”两个主题，分别回顾 NWP 了 有关模式和观测资料处理的研究进程。 关键词 ：方法论视角， 原始方程模式 ，螺旋式上升 ，历史资料应用 ，四维同化 大气科学是一门发展中的新兴学科，一方面它遵 报是可以这样计算出来的。 循普遍的物理规律，另一方面又有其本身的特点。数 其次， “前事不忘，后事之师”。其失败留下了 值天气预报 （以下简称NWP ）作为大气科学的一个分 经验教训，后继者正是在不断探究其失败原因中，获 支，在其发展过程中，新的生成点的提出，新研究领 得启示和找到解决途径的。 域的开拓，一些重大问题的突破，似都可以看到其他 最后一点，也许是最宝贵的，他的工作表明了科 学科的成果与气象问题的结合。NWP又是一门实用性 研也是要有 “梦想”和实现梦想的勇气和执着的。 很强的应用基础学科，从其研究问题的提出、解决、 “梦想”不正是真正具有前瞻性、创造性工作的一个 到进一步发展，都离不开天气预报实践。下面尝试以 源泉吗？ 熟知的若干事例为视角，做些探讨。 在Richardson 的工作之后，NWP工作表面上似乎 1 从Richardson的梦想到回归原始方程模式 沉寂了一个时期，实际上，对它的探索并未停止。约 V. Bj erknes[1] 于20世纪初最早提出用流体动力学 30年后也就是1950年，NWP 研究有了突破，Charney [3] 方法作天气预报的构思。而后直至192 1年Richardson[2] 等 发表在Tellus上的文章，给出第一张真正意义上的 才迈出实际的第一步。后者在1922年发表的专著 “用 数值天气预报图——用电子计算机ENIAC计算的24小 数值方法作天气预报(Weather Prediction by Numerical 时天气预报图。它的成功使NWP广为气象学界所接 Process) ”中详细阐述了他所用的计算方法、过程和 受，从而开启了NWP快速发展的时代。 结果。因为计算工作量极为庞大，他组织使用了大量 他们的文章被千百次引用，而为什么能取得突 人力，设计了详细的计算表格，才得以完成，然而得 破，它有什么启示，仍值得我们深思。当时三维气象 到的 “预报”结果，却达6小时145毫巴的气压变化， 观测资料的获取，世界上首台电子计算机的出现和计 比实际变化大了许多。 算数学的进展，无疑为实际NWP提供了基础和动力。 第一次尝试失败了，后来被称之为Richardson 的 据说von Neumann展示其计算机巨大潜力而列出的首 梦想。但就是这个 “梦想”，长期以来始终未被遗 批课题，NWP就是其中之一。但主要的贡献还是来 忘，而被推崇为NWP发展史上的一个里程碑。其原因 自大气动力学的进展，来自对主宰逐日天气变化的天 可归纳如下： 气系统 （或简称长波）的研究。当年Richardson计算 首先，他构建了实现NWP 的蓝图。他用于计算的 用的方程组，其中包括由牛顿第二定律推导的运动方 偏微分方程组 （后来称之为 “模式”）预报分量有u ,