数值模拟和数值预报研究现状和未来

　　数值模拟是指电子计算机利用数值模式，通过改变模式的物理因子组合及初始场的结构，模拟大气的状态及其变化，进行各种控制试验，并将计算结果与实测记录相比较，从而对某一局部或整个大气的变化规律进行研究。60年代数值模拟的成功标志着大气科学已步入实验科学的阶段。80年代以来，国际数值模拟研究取得显著发展，它已不仅是一种现代化的实验手段，而且已发展为具有独立特征的学科分支。用于大气环流模式进行的成功模拟试验是大气科学的重要成就之一。目前大气环流模式已日趋完善，模式范围已扩展到全球，垂直方向已包括平流层大气运动，对大气物理过程的考虑已较全面，参数化也有改进。近年来，利用大气环流模式不仅较好地模拟了一般大气环流的季节演变特征，而且还能模拟出大气中的低频变化特征和系统的结构。在过去10余年中，关于大气对外界动力和热力强迫响应、地面状况对大气环流的影响，以及海气相互作用等方面的数值模拟研究，均已取得许多有意义的结果，这不仅加深了人们对大气环流演变规律的认识，也为天气预报提供了一定的理论依据。值得指出的是，近几年来数值模拟研究已遍及大气科学的众多领域，如气候变化、云物理学、大气化学及中层大气科学等，而且研究正在深化。例如在全球气候变化方面，过去用大气环流模式研究CO2倍增下的温度和降水变化，而现在的研究则旨在发现预期的其些动力学后果。又如关于臭氧和其它温室气体的数值模拟引人瞩目，利用三维平流层化学输送模式进行的数值模拟已成为当前研究臭氧及其它微量成分变化的主流，有的模拟研究从100hPa积分到0.01hPa，垂直分层达56层，垂直分辨率达1—2.5公里，水平分辨率达几十公里。此外，近几年来在中尺度数值模拟方面也取得显著进展，利用高分辨率的静力模式和常规观测资料已可模拟出中尺度对流系统内部的许多重要特征，如倾斜上升气流、后部下沉气流和尾低压。

　　数值预报是利用电子计算机通过求解数值模式的方程组，从而预报天气的客观、定量和自动化的预报方法。50年代国外短期大尺度数值预报的成功标志着天气预报从主观预报向客观预报的过渡，从一门技术成长为一门科学。70年代在全球大气研究计划的实施过程中，开展了一系列综合性大气观测试验，尤其是1979年进行的全球天气试验，试验和研究了与数值天气预报有关的许多理论和方法问题。因此，随着卫星等非常规资料的应用，80年代数值预报在延长预报时效，即进行中期预报方面取得了突破性的进展。欧洲中期天气预报中心的业务预报模式已具有相当高的空间分辨率，垂直方向有19层（即将改为31层），波谱展开已取到T106（即将改为T213）。水平分辨率约为125公里。加之有比较配套的物理过程的参数化及一些出色的技术处理，从而使数值预报的时效达10天，有用预报（预报与实况之间的距平相关系数达0.6以上）时效达7天，真正跨进了中期预报阶段。日本气象厅现已采用T106全球模式，垂直方面有21层，模式中包括了简单的生物圈模式，预报时效已达15天，居于领先地位。此外，近年来一些发达国家在中尺度数值预报试验方面已取得较显著的成绩，例如最近美国国家气象中心用水平分辨率为30公里的E—TA模式（30层）及日本气象厅用水平分辨率为10公里的模式（19层）所进行的暴雨试验预报已取得较好的结果。预计到公元2000年，发达国家大气科学的研究和业务部门将可能采用运算速度达每秒万亿次的大规模并行计算机，从而显著地提高解决大气科学问题的能力和数值预报的业务水平。例如，美国国家气象中心计划1993年初安装1部50—100亿次浮点运算的计算机，并可望于1997—1998年得到万亿次机器，2001—2002年得到千万亿次机器。这样，在21世纪初期，其业务数值天气预报所使用的计算机的计算能力将比它现用的CrayY—MP高100万倍。这种计算能力将能够允许运行水平分辨率相当于25公里的全球模式，以及覆盖美国全国的水平分辨率为4公里的区域模式，这将会显著提高数值天气预报的技术水平。在今后10年中，国际上将继续进行的一系列研究计划或观测试验，将会进一步促进模式物理学的发展；随着观测技术尤其是遥感技术的发展，数值预报所需要的初始资料也必将有显著改善。因此可以预期，公元2000年，发达国家中纬度地区有用预报时效将可延长到10天以上，热带地区的有用预报时效将达到5天以上，将实现日时间尺度平均场的业务预报。同时，各类中尺度数值模式将可用于业务预报，从而显著地提高暴雨和强对流天气的短期和甚短期预报水平。（来源于1992年8月17日《中国气象报》 作者：殷显曦 林海）