李孟植

(海南省海洋監(jiān)測預(yù)報中心 ?？?570206)

數(shù)值預(yù)報及預(yù)報員的作用探討

李孟植

(海南省海洋監(jiān)測預(yù)報中心 ?？?570206)

數(shù)值預(yù)報是自然科學(xué)理論發(fā)展后應(yīng)用到生產(chǎn)生活中的一大典型例子,它使大氣和海洋狀態(tài)預(yù)測變得更加定量化和客觀化,是近年來發(fā)展最為迅速的一個科學(xué)分支,在目前工作中基本取代了預(yù)報員的形勢預(yù)報,并在單個要素預(yù)報方面有很大的發(fā)展前途,但預(yù)報員的作用仍然不可代替,客觀預(yù)報和主觀預(yù)報的最佳結(jié)合使用,預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用等將是未來預(yù)報員的主要工作。

數(shù)值預(yù)報;閉合方程組;預(yù)報員的作用

1 數(shù)值預(yù)報及其發(fā)展歷程

數(shù)值預(yù)報是通過力學(xué)中的方程計算出來的,它是把天氣和海洋預(yù)報與數(shù)學(xué)、物理聯(lián)系在一起,用數(shù)學(xué)物理模式對預(yù)報對象狀況進行分析,通過高速計算機求解得到的。它是根據(jù)描述預(yù)報對象運動規(guī)律的流體力學(xué)和熱力學(xué)原理,構(gòu)成閉合方程組,即數(shù)值模式,知道某個時刻的預(yù)報對象的初始狀態(tài),也就是在一定的初值和邊值條件下,就可通過數(shù)值離散的方程聯(lián)立求解這一數(shù)學(xué)物理方程組,計算出未來某一個時刻的預(yù)報對象狀態(tài),這個狀態(tài)通過各種形勢圖或有關(guān)的氣象海洋要素如:氣溫、氣壓、浪高、風(fēng)暴潮增水等表示出來,以此預(yù)知大氣層和海洋的運動以及相連的變化。

17世紀(jì)末期,牛頓三大定律及質(zhì)量守恒定律等一系列定律定理的發(fā)現(xiàn),使人類真正意義上進入了理性的現(xiàn)代科學(xué)時代,自然界現(xiàn)象所服從的客觀規(guī)律可表示為物理化學(xué)定律逐漸得到廣泛認(rèn)可,伴隨數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,開始建立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)推理和數(shù)學(xué)演算框架體系,并將自然界現(xiàn)象所服從的客觀規(guī)律用數(shù)學(xué)方程表達(dá)出來,這一點首先在天文學(xué)上得于體現(xiàn),并迅速發(fā)展到各個學(xué)科領(lǐng)域。這樣一來,對自然界現(xiàn)象的研究分析基本上可轉(zhuǎn)化為相關(guān)方程式的聯(lián)合求解,而預(yù)測的概念就是方程式中存在時間變量,也就是自然現(xiàn)象隨時間的變化。

在氣象學(xué)和海洋學(xué)研究方面,溫度計、氣壓計、浮標(biāo)和水流計等儀器的發(fā)明使用,使大氣和海洋狀態(tài)的描述信息由主觀模糊描述階段進入客觀定性記錄要素階段。真正提出數(shù)值預(yù)報科學(xué)理念的,應(yīng)是挪威人Vilhelm Bjerknes在1904年提出的天氣預(yù)報問題可歸根于控制大氣動力和熱力學(xué)方程組的初值問題,這是一個鮮明和具有生命力的觀點,它使經(jīng)典力學(xué)、流體力學(xué)和熱力學(xué)等物理學(xué)理論,從20世紀(jì)開始快速融入氣象學(xué),并且新的技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)突破越來越快的應(yīng)用到氣象研究和預(yù)報實踐中去,它將氣象學(xué)造就成物理學(xué)科,并為后來取得一系列重大成就指明道路,通過將氣象學(xué)的問題轉(zhuǎn)化成為一個更加廣泛的數(shù)學(xué)—物理問題,使氣象科學(xué)已有和新出現(xiàn)的各分支研究成果,幾乎都可以通過相關(guān)的數(shù)學(xué)物理方程應(yīng)用到天氣預(yù)報實踐中去。

Vilhelm Bjerknes提出的數(shù)值預(yù)報思想由被譽為“現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報之父”的英國氣象學(xué)家Richardson在1922年首次通過手工試驗,他利用天氣演化的原始方程組,用手工的方法計算了6 h以后歐洲地區(qū)的地面氣壓場,完成了《用數(shù)值方法預(yù)報天氣》這本公認(rèn)的數(shù)值天氣預(yù)報的開山之作,不過嘗試最終歸于失敗,預(yù)報的6 h氣壓變化達(dá)到154 hPa,而實際氣壓幾乎沒有變化。雖然如此,Richardson的工作向手中沒有任何快速計算工具的氣象學(xué)家表明,對未來天氣的計算,除了要在數(shù)學(xué)上完善復(fù)雜的微分方程解的理論外,還需要計算工具的改進。在20世紀(jì)50年代,物理和數(shù)學(xué)理論成果在氣象應(yīng)用研究中獲得進展的背景下,電子計算機時代的到來,為數(shù)值天氣預(yù)報的成功完成了最后的理論和技術(shù)鋪墊,最終在1950年人類第一臺電子計算機ENIAC上成功進行了人類第一次成功的數(shù)值天氣預(yù)報試驗。1954年12月1日,瑞典空軍氣象局與斯德哥爾摩大學(xué)國際氣象研究所合作,在同年3月和8月開展的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化實驗的基礎(chǔ)上,最早開展了24 h、48 h和72 h業(yè)務(wù)化數(shù)值天氣預(yù)報,這是數(shù)值天氣預(yù)報首次投入業(yè)務(wù)化使用。數(shù)值預(yù)報在氣象領(lǐng)域的成功使用給同是流體屬性的海洋領(lǐng)域帶來了啟迪,從20世紀(jì)50年代后期開始,也在海洋領(lǐng)域開展起來,從最初的 Kivisild在1954年計算模擬了一次襲擊美國的風(fēng)暴潮過程,到1963年Baer采用PNJ法作海浪預(yù)報并編寫成計算機程序運行,都體現(xiàn)著數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的擴展。目前,已從最初的風(fēng)暴潮和海浪兩個方面擴展到海溫、溢油飄溢擴散、泥沙運移和海洋污染物擴散等方面的數(shù)值模擬及預(yù)報,數(shù)值預(yù)報隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐漸成為許多國家氣象海洋業(yè)務(wù)和研究的重要內(nèi)容。

2 我國數(shù)值預(yù)報的發(fā)展?fàn)顩r

我國于1954年開始數(shù)值預(yù)報理論的研究并摸索制作數(shù)值天氣預(yù)報;1955年用圖解法兩層模式作出了500 hPa 24 h的預(yù)報;1959年用電子計算機制作亞歐范圍和北半球范圍的正壓、斜壓過濾模式的高度場數(shù)值預(yù)報,開始了在計算機上進行數(shù)值天氣預(yù)報;1969年國家氣象局正式發(fā)布短期數(shù)值天氣預(yù)報;1973年開始用原始方程三層模式制作預(yù)報,以后逐步改進數(shù)值預(yù)報模式并實現(xiàn)了資料輸入、填圖、分析和預(yù)報輸出的自動化,預(yù)報模式發(fā)展到多層原始方程模式,其中考慮了地形和非絕熱加熱等物理過程的影響。除完成日常的短期數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)外,國家氣象中心于1991年6月建成我國第一代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng) T42;1995年6月又建成了我國第二代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng) T63;1997年6月建成了我國第三代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng) T106L19,目前業(yè)務(wù)運行的是在2002年9月1日起投入業(yè)務(wù)使用的第四代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)T213L31(表 1)。

表1 我國目前在氣象領(lǐng)域業(yè)務(wù)應(yīng)用中的主要數(shù)值模式

海洋預(yù)報方面開展于20世紀(jì)60年代初,以文圣常提出以圓周率為參數(shù)的波譜模式為開端,到“八五”期間建立《新型混合型海浪數(shù)值模式》,我國已在國家海洋預(yù)報臺業(yè)務(wù)組裝使用提供海浪數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品,并針對各個區(qū)域建立使用了相對應(yīng)的風(fēng)暴潮預(yù)報數(shù)值模塊。從2005年10月起,又開展了全球海浪準(zhǔn)業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報,從而使我國海浪預(yù)報范圍由過去的近海和西北太平洋擴大到全球,成為繼美國、日本和歐洲中心等海洋預(yù)報發(fā)達(dá)國家和國際組織之后,世界上少數(shù)幾個可以發(fā)布全球海浪數(shù)值預(yù)報的國家之一。

3 數(shù)值預(yù)報的制作

數(shù)值預(yù)報是以物理理論為基礎(chǔ),用數(shù)學(xué)的方法將預(yù)報對象未來的狀態(tài)計算描述出來。首先,把作為流體屬性的大氣和海洋所遵循的物理定理寫成若干數(shù)學(xué)方程式,構(gòu)成方程組,然后,用數(shù)值計算分析的方法對這些數(shù)學(xué)物理方程組進行離散化,再把離散化后的方程組編寫成計算機程序,以便借助高速計算機完成這一工作量巨大的運算,這一非常復(fù)雜的計算機軟件包就是平常所稱的數(shù)值預(yù)報模式。之后把整個大氣或海洋空間分割成均勻分布的一個個小立方體 (稱之為網(wǎng)格點),一般來說,這些小立方體的邊長水平方向有10～100 km,垂直方向有幾十米不等,隨著未來數(shù)據(jù)同化方案的優(yōu)化和觀測系統(tǒng)的發(fā)展,這些立方體可以更小。并把全球或某一區(qū)域非均勻分布的定時氣象海洋要素觀測資料 (如氣壓、溫度、風(fēng)和浪高等)在很短的時間內(nèi)收集起來,然后,把這些非均勻分布的資料插值到均勻分布的一個個小盒子上,即模式網(wǎng)格點上,形成數(shù)值預(yù)報模式的初值。完成后再在巨型計算機上運行數(shù)值預(yù)報模式,一個時間步,一個時間步,一個格點,一個格點地計算大氣海洋的運動變化。整個預(yù)報時段的計算結(jié)束后,模式將預(yù)報出全球或某一區(qū)域每個格點的氣象海洋要素值,即預(yù)報出未來的天氣和海洋運動狀況,再根據(jù)具體情況通過一系列的加工成各種預(yù)報產(chǎn)品。其數(shù)值預(yù)報制作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)值預(yù)報制作流程

正因為如此,數(shù)值預(yù)報首先要求建立一個較好的反映預(yù)報時段大氣和海洋的數(shù)值預(yù)報模式和誤差較小、計算穩(wěn)定并相對運算較快的計算方法;其次,由于數(shù)值預(yù)報模式運行對初始條件的極端敏感,也就是初值對結(jié)果有很大的影響,因此必須恰當(dāng)?shù)刈髻Y料的調(diào)整、處理和客觀分析;再次由于數(shù)值預(yù)報的計算數(shù)據(jù)非常之多,很難用手工或小型計算機去完成,必須要有大型的計算機來完成。

4 數(shù)值預(yù)報發(fā)展背景下的預(yù)報員作用討論

數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)化前,預(yù)報的制作是由預(yù)報員依據(jù)天氣學(xué)和海洋學(xué)理論分析各種圖表和觀測到的要素值后外推出形勢而作出的。數(shù)值預(yù)報應(yīng)用后預(yù)報工作經(jīng)歷了以人工主觀預(yù)報為主,數(shù)值預(yù)報逐漸有參考價值,到二者效果和作用相當(dāng),直到大約從20世紀(jì)80年代開始,由于短期數(shù)值預(yù)報技巧的持續(xù)、穩(wěn)定提高而在業(yè)務(wù)預(yù)報中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位的過程,基本取代了預(yù)報員的形勢預(yù)報工作,并逐漸向單個要素預(yù)報和其他一些預(yù)報項目方面發(fā)展,雖然如此,預(yù)報員的作用仍然不可代替。

首先,就目前來說,數(shù)值預(yù)報模型的建立不可能絕對完整地將大氣和海洋狀況模擬出來,除了我們尚未完全地認(rèn)識它們的運動規(guī)律外,還因為它們的運動過程是個非線性的過程,也就是說,它在遵照某些特定的演變規(guī)律 (規(guī)律也不是絕對穩(wěn)定的)發(fā)展的同時,也存在著無數(shù)的不確定因子,這些因子對有序演變的干擾作用有大有小、有先后、有隨機性。而模型建立過程會對某些影響比較小的因子進行取舍忽略掉,使模型在準(zhǔn)確與效率之間盡可能取得平衡,否則,如果考慮所有的因子,即使是目前世界上速度最快的巨型計算機也不可能勝任模型的計算任務(wù)。

其次,大氣和海洋是一種具有連續(xù)運動尺度譜的連續(xù)介質(zhì),故不管模式的網(wǎng)格點如何的密,分辨率如何高,總有一些接近于或小于網(wǎng)格距尺度的運動無法在模式中確切地反映出來,這種運動過程稱為次網(wǎng)格過程,如湍流、對流、凝結(jié)和輻射過程都包含有次網(wǎng)格過程。

最后,初值方面也存在很多問題,雖然目前在傳統(tǒng)觀測站的基礎(chǔ)上,使用了衛(wèi)星和遙感技術(shù)等手段探測大氣和海洋,對提供記錄稀少地區(qū)的資料有一定貢獻,但是由于觀測誤差如儀器誤差,觀測點在空間時間上的不夠密集引起的插值誤差會永遠(yuǎn)存在。誤差的存在造成初始場具有不確定性,即我們得到的分析資料永遠(yuǎn)只是實際大氣海洋的一個可能的近似值,而大氣和海洋本身的混沌特性使得模式對于初始場的微小誤差十分敏感。

可以這么說,數(shù)值預(yù)報永遠(yuǎn)無法絕對完整真實地將大氣海洋描述出來,我們所做的只能是在提高科學(xué)理論和各種技術(shù)手段的基礎(chǔ)上,使之更加接近于真實,例如,目前采用參數(shù)化的方法來考慮次網(wǎng)格過程,初始場為概率密度函數(shù)的多模式集合預(yù)報方法來解決誤差源等,都只是將干擾減少,而不能從根本上解決問題。

觀測誤差,分析同化誤差,模式誤差等永遠(yuǎn)存在,使得數(shù)值預(yù)報在業(yè)務(wù)使用時需要進行實時檢驗和訂正,預(yù)報員處在數(shù)值預(yù)報模式使用的最前線,對各種模式的數(shù)值預(yù)報結(jié)果應(yīng)用情況有著最直接的體驗,這將有利于完成對數(shù)值預(yù)報的應(yīng)用改進和后處理,使之準(zhǔn)確率進一步提高。就目前來說,常有各模式預(yù)報結(jié)果不一致的情形,這就需要預(yù)報員集合各種預(yù)報結(jié)果為一體,作出群體決策意見。以預(yù)報員為主體的各種經(jīng)驗預(yù)報方法統(tǒng)計地包含了各種復(fù)雜地形特征等對局地預(yù)報要素的影響因素,對局地要素預(yù)報具有很好的預(yù)報效果,這種主觀經(jīng)驗預(yù)報和客觀數(shù)值預(yù)報的最佳結(jié)合使用將有力的提高和改善預(yù)報能力,這一切都必須由預(yù)報員來完成。

根據(jù)生活生產(chǎn)需要開辟新的預(yù)報產(chǎn)品和相應(yīng)的應(yīng)用解釋以及與其他的環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)的整合都將是預(yù)報員的任務(wù)范疇,目前,這一塊都開展了起來并具有很好的發(fā)展前景,如現(xiàn)在具有使用意義的火災(zāi)、游泳指數(shù)等一些與人們生活生產(chǎn)密切相關(guān)的災(zāi)害和舒適指數(shù),都是與其他環(huán)境學(xué)科相結(jié)合的預(yù)測產(chǎn)品,它們的發(fā)布,已經(jīng)開始很好地為社會服務(wù),更加體現(xiàn)了預(yù)報在生活生產(chǎn)的價值,可以預(yù)見這些產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用在未來將廣泛鋪開。

預(yù)報員除了是個業(yè)務(wù)員外,完全可以加入到科研的行列,參與對理論的研究。具有學(xué)科廣泛感性認(rèn)識的預(yù)報員,在理性的開發(fā)上有著不可比擬的有利的條件,使之更具有開拓性,預(yù)報理念的創(chuàng)新將引起預(yù)報工作的革新,在新的條件下,預(yù)報員將開辟新的價值領(lǐng)域。

總之,不斷解決數(shù)值預(yù)報尚不能解決好的問題,以不斷提高預(yù)報水平和使預(yù)報產(chǎn)品更加為生活生產(chǎn)需要服務(wù)將是預(yù)報員的任務(wù)。

5 結(jié)論

1)數(shù)值預(yù)報是人類科學(xué)在20世紀(jì)的巨大成就,它必將在未來預(yù)報業(yè)務(wù)工作中將起主導(dǎo)作用。

2)數(shù)值預(yù)報的發(fā)展基本上與各學(xué)科理論的進步同步進行,尤其是電子計算機技術(shù)的研制應(yīng)用和發(fā)展為它提供了技術(shù)鋪墊。

3)客觀預(yù)報和主觀預(yù)報的最佳結(jié)合使用由預(yù)報員來完成。

4)未來預(yù)報員的任務(wù)將更加廣泛化。

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