【1980～1989年中国数值天气预报进展】
1980～1989年，中国数值天气预报的进展，主要表现在：自动化客观化的原始方程模式分析预报业务系统已建立；设计了各类研究试验模式并投入使用；物理过程从主要引进国外成果的状态进入发展阶段；模式和模式设计、计算方法的研究比过去更深更广；开展了四维同化和产品加工应用。
1965年，中国建立了北半球48h正压过滤模式预报，但直到1982年2月，北京气象中心才正式建立起包括资料处理、客观分析和北半球5层非绝热原始方程模式在内的分析预报业务，发布逐日分析预报和加工产品。目前，数值预报产品已是中国短期天气预报的主要参考之一。此外，还发展了几种有特色的有限区域多层原始方程细网格模式，其中包括针对降水。台风路径和热带天气的模式，它们在实际预报中都发挥了良好的作用，特别是降水和台风路径预报。利用数值天气预报产品，全国台站广泛开展了中短期MOS和PP预报，如低温暴雨和台风路径预报等。其中地方MOS方法有中国特色，比较注意吸收预报经验，并采用多种统计模型。实践证明，人一MOS结合明显优于主观预报。除了业务预报外，还曾设计过各种不同类型、有不同针对性的模式，提出过设计垂直和水平分辨率的原则，以及分析模式合理性的方法。两层全球模式是中国设计的第一个全球大气环流模式，它包括了全部物理过程，能保持微分方程的重要性质，如能量转换关系等。还设计过采用两种地图投影的9层全球模式和两层全球差分模式，以及一些半球谱模式、西南及其毗邻地区细网格模式和P－σ混合坐标的5层原始方程模式。对于长期预报，有距平滤波、距平大气环流、考虑历史资料的距平和大气环流4种模式。巢距平等用距平滤波模式作8个月的试验表明：3层模式高度距平预报普遍高于持续性预报。还用设计的距平大气环流模式与前一种模式比较，发现二者相差不大，后者低层比前者报得稍好，但所需机时约是前者的200倍。考虑历史资料的距平模式，是把地－气作为统一系统，利用下垫面能量储放，以预报量为已知年变上的扰动的模式。对其线性简化方案的计算表明，其平均预报略高于随机预报水平，是有希望的。还设计过有各种物理过程的7层全球谱模式，其月预报逐日误差比持续性误差小许多，低纬预报也令人满意。章震越等还建立了11层，格距为30km的细网格模式和准静力、准二维的10层，以及格距为12．5km的中尺度模式。虽然还有不少须待完善之处，但它们对开展中尺度天气过程的研究是有益的。吴辉碇还设计过行星边界层模式，可以计算地面温度的日变化，其计算结果可以反映实际大气边界层的一些特点。对于模式大气高度和垂直分辨率的设计，张可苏曾作过比较试验。结果表明：当模式高度取在250kPa时，超长波中心高度比一般观测的显著低，其移速也大为夸大。看来，模式顶取在＜10kPa处较好，最好在0．01kPa。还分析了对称不稳定增长率对Richardson数和垂直分层的依赖。结果是：10层以上最好。至于水平分辨率，则给出了在考虑的最短波长和观测误差下的最佳格距公式，还在计算稳定和垂直截断误差与水平截断误差应为同量级的条件下给出了垂直网格距和水平网格距的关系式。陆维松等又进一步给出了新的结果。这样，就减少了模式设计的盲目性，增加了合理性。曾庆存等还讨论了嵌套网格因计算边界条件产生的伪反射和伪折射。指出：当“超高频条件”满足时，在粗网格一侧会形成四倍格距振幅的放大的波。胡元龙等还进行了辐射边界条件等的比较试验。张学洪曾就完全的原始方程的算子特性进行研究，指出初始场的作用随时间衰减，因而，设计的模式也应具有这种性质。国外进行的检验一般还限于用线性条件下简单波解和数值解相比较的方法，在这方面，张学洪曾在弱非线性条件下，给出过正压和斜压大气非线性波的二级近似的解析表达式，并用来和数值解比较；王诗龙等还提出利用大气对称运动的不变性和其他对称和反对称运动的性质来检验的方法。前者是定量的，有一定限制；后者是定性的，限制较少。物理过程是模式的核心之一，以前主要是引用国外的。1980～1989已有一批令人鼓舞的成果。在辐射方面，曾对O39．6μm波段的冷却率给出新的近似方法，它和逐线计算结果相比，可以精确处理对波数域、天顶角和大气不均匀的积分。还考虑一般大气红外辐射传输参数化方案精度受大气分层的影响很大，设计了不同分层的参数化方案。计算结果和逐线计算的相比，发现当层数为39和16时，基本上保持同样精度。还提出了计算水汽吸收辐射和气溶胶减弱太阳辐射的方法。还分析了云对地气系统太阳辐射能收支与大气加热率的影响，讨论了不同光学厚度的云反射率与吸收率。还用7层谱模式对云、辐射及动力过程的相互作用作试验。发现云－辐射加强了低纬Hadley环流的上升支；在长期积分中对环流也有影响。还提出过计算水汽和CO2长波面透射率的方法和大气长波辐射冷却率的省时算法。在积云对流方面曾提出过一个对温度和比湿同时作整层调整的方案，可避免在有限层作调整时所产生的上层静力不稳定现象。还对梅雨暴雨区内的涡度平衡进行研究，发现在对流层下层有涡度积累，在其上层有涡度亏损，积云对流在平衡中起重要作用，还就热带气旋提出在时间和空间尺度上与之相近的积云概念和对流凝结加热方案。还就风切变对积云发展的影响进行了试验，得出了一些有意义的结果。对于行星边界层，徐大海曾提出过一个大气多尺度湍流交换的K理论，将任一气象要素分解为多尺度的脉动量之和，从不同尺度运动相互作用方程推出了可以随时间和空间变化的K值；在一定条件下可出现负粘性。就Monin-Obuhov相似理论处理大气表面层梯度观测资料的问题，对近地面稳定大气层结中通量廓线的适用性作了研究，提出选最佳廓线的方法。还用近年的实测风资料，对行星边界层内扩散特征进行过数值研究。对于地形作用，曾提出过把高原当成静止空气的“软高原”，利用风压场平衡关系，算出各层位势高度的办法。还针对物理过程中参数选择的人为性，提出了模式参数化优化方法。其适用范围相当广泛，具有很好的抗干扰性。1980年以前，中国分析用的方案逐步订正法外，还有多项式法。四维同化则很少开展，近年来分析用的最优插值法开展得比较广泛。为了避免该法引起的平滑，曾提出对高度分尺度逐次内插的方法。还对东亚5000kPa高度、700hPa温度、露点、温度露点差的方差、协方差，相关函数和结构函数进行了计算，发现了一些统计特征，如各向异性，尺度随纬度和天气形势而变等。对逐次订正法，则用两种滤波方法改进，发现Gauss法比选择滤波有更好性能。过去认为：风压场观测误差引起的不平衡可以导致虚假的重力惯性波。有文献指出：即使初始值没有误差，由于其和模式不协调，也可以引起虚假的重力惯性波。要处理好初值，必须消除或减少这种不协调，如尽量使资料满足模式的重要性质等。于是，提出了一些在总能量守恒和整层无辐散约束下的变分方案。还通过正压原始方程的解析解和数值解，分析了初始风场不同假定对解的影响，提出将方程中反映不同物理过程的项区别处理的方案对于非线性正规模的哈佛函数，也作过试验。汪厚君还提出用地面3h变压作初值化。还研究过次天气尺度和中尺度预报中的初值化问题。从试验发现，用天气尺度的初值，降水和低空急流的加强较慢，而结合次天气尺度的初值则较符合实况；但二者均能把锋生过程，露点锋的加强等预报出来。对于场的解析表示，有文献曾提出向量经验正交展开的方法。计算表明：它比标量经验正交展开好。这对在资料稀少地区用历史资料插补有好处。还有人用车贝雪夫多项式把资料在非均匀网格上展开。对于四维同化，曾利用多时刻常规资料和非常规资料进行低纬地区同化试验和考虑观测误差下的试验，指出最优同化频率与观测资料和同化过程的长短有关。1980年以前，中国已对有关计算方法进行过很多研究，但有的还研究得不深(如σ－坐标系中气压梯度力的计算)，有的还是空白(如非线性不稳定)。近年来，在这方面有许多更深的成果，有些空白也填补了。在差分格式方面，曾提出几种时、空差分的完全能量守恒的分解格式。还从标准层对近似下球面斜压原始方程出发，对两类常用的B网格和C网格，各设计出可以保持总动能、总有效位能和总有效表面位能之和守恒的差分格式，使时间积分比过去有更有效的约束。还提出一种浮动的显式差分格式，是无条件稳定的，比国外提出类似格式还早。还对发展方程
的格式构造和应用进行了讨论，证明带有非负算子A的的强隐式格式为“绝对稳定”；而带反对称算子A的弱稳式和显式是绝对不稳定。
非线性计算不稳定是数值预报中的一个难题。对此，曾证明时空差分的完全平方守恒格式是长时间计算稳定的最好保证。还讨论过Galerkin有限元近似的非线性计算稳定性问题。同时用Ritchmyer-Shuman方法分析了瞬时差分格式的非线性计算不稳定问题。指出：只要所用网格函数在空间或时间方向变号，就容易出现非线性计算不稳定，从而修正了Fornberg的结论。在σ坐标系中气压梯度力的计算是一个困难。中国气象工作者根据大气各向异性特点及差分－微分－差分相一致的观点推导出一般变换公式，讨论了常用变换公式与一般变换公式在差分计算中的差别；还用一般变换公式设计了几种计算方案。还提出了把位势高度φ分解为φ(t0)和φ′(t)两部分，用以计算气压梯度力的方法；其中除初始时刻外，只有▽［φ(t)－φ(t0)］p
需要计算，从而使误差大为减小。温压场三维插值方法，在陡坡地区计算气压梯度力有较好效果。陈嘉滨等提出了一种改进的“静力扣除法”可以使散度方程中的地形项由地形扰动项所取代，从而降低低截谱模式中因截谱带来的误差。上面这些方法对改进气压梯度力的计算都各有一定的特点，也各有不同程度的贡献。但是，它们之间还缺乏比较，需要有统一的标准进行严格检验，1980年前数值试验和数值模拟开展得很少。目前，它们作为强有九的试验工具，已深入到气象各个分支学科的研究中。对于天气尺度系统，用全隐式6层原始方程模式对地面气旋形成和扰动的发展进行了试验。发现：如初始时有带状环流上加一类似锋区的扰动，则扰动位于低空比位于高空容易发展。还用p－σ5层模式模拟索马里低空急流，发现边界层中气流的发展主要决定于海陆分布不均匀引起的非绝热加热，与地形高低关系不大。还对东亚海岸气旋发展的影响进行研究，发现潜热释放和反馈与由之产生的斜压不稳定是其爆发性发展的主要原因。不稳定小槽的发展有时和东亚寒潮有关。试验表明，某些小槽有初期以正压过程为主，以后斜压过程才明显起来；而斜压结构的形成则与上游脊的东移发展，北风加强有关。对于台风的发生发展，曾从辐射、积云动量输送、海温等进行模拟。结果表明：如有辐射，发展得更早更强，考虑积云动量垂直输送，算得的“台风”比考虑Ekman抽吸的结果在结构上更接近实际。对于梅雨锋上低压和中尺度扰动的模拟，得出：在发生时，动力作用不能忽视，而在维持与发展时，潜热释放重要；但加热过程也应具有中尺度特征；扰动结构变化与降水强度关系密切。对两类飑线的发生发展进行模拟的结果表明：因积云对流引起的加热至少对一类飑线生成重要，在其生成过程中扰动的非线性集中明显。对于暴雨的模拟，发现初始风对它有较大影响。还发现与暴雨伴生的低空辐合线和其上的涡旋，垂直环流等只有用湿模式才能模拟。还对中尺度对流系统的形成进行试验，发现用大尺度场可模拟中尺度系统的形成。对于适应问题，曾对半球旋转适应和地转适应作过试验。发现如只有一位涡中心，环流将演变为纬圈环流；如有2个以上中心，则都将维持，但不会出现纯粹的纬圈环流，为此进行过次天气尺度系统地转适应过程的试验。在有热源的非线性适应过程中，系统发展以后成为类似于热带气旋的系统。通过试验，发现青藏高原和落基山上空温度和位势高于有明显日变化，温度的日变化振幅随高度减小，而位势高度振幅在对流层中却随高度增大。对于大气的对称和非对称运动，分别用正压和斜压模式进行试验，证明在一定条件下对称运动的不变性。申少华还对沙尘暴的辐射特征及其辐射强迫对海陆风、锋生、局地环流的影响等进行试验，取得了一些有意义的结果。(国家气象局国家气象中心廖洞贤撰)