李孟植

(海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心 ?？?570206)

數(shù)值預(yù)報(bào)及預(yù)報(bào)員的作用探討

李孟植

(海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心 ?？?570206)

數(shù)值預(yù)報(bào)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(cè)變得更加定量化和客觀化,是近年來(lái)發(fā)展最為迅速的一個(gè)科學(xué)分支,在目前工作中基本取代了預(yù)報(bào)員的形勢(shì)預(yù)報(bào),并在單個(gè)要素預(yù)報(bào)方面有很大的發(fā)展前途,但預(yù)報(bào)員的作用仍然不可代替,客觀預(yù)報(bào)和主觀預(yù)報(bào)的最佳結(jié)合使用,預(yù)報(bào)產(chǎn)品的解釋應(yīng)用等將是未來(lái)預(yù)報(bào)員的主要工作。

數(shù)值預(yù)報(bào);閉合方程組;預(yù)報(bào)員的作用

1 數(shù)值預(yù)報(bào)及其發(fā)展歷程

數(shù)值預(yù)報(bào)是通過(guò)力學(xué)中的方程計(jì)算出來(lái)的,它是把天氣和海洋預(yù)報(bào)與數(shù)學(xué)、物理聯(lián)系在一起,用數(shù)學(xué)物理模式對(duì)預(yù)報(bào)對(duì)象狀況進(jìn)行分析,通過(guò)高速計(jì)算機(jī)求解得到的。它是根據(jù)描述預(yù)報(bào)對(duì)象運(yùn)動(dòng)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(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)對(duì)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(guò)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(jì)算出未來(lái)某一個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)對(duì)象狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)通過(guò)各種形勢(shì)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(lái),以此預(yù)知大氣層和海洋的運(yùn)動(dòng)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(jìn)入了理性的現(xiàn)代科學(xué)時(shí)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(lái),這一點(diǎn)首先在天文學(xué)上得于體現(xiàn),并迅速發(fā)展到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。這樣一來(lái),對(duì)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(cè)的概念就是方程式中存在時(shí)間變量,也就是自然現(xiàn)象隨時(shí)間的變化。

在氣象學(xué)和海洋學(xué)研究方面,溫度計(jì)、氣壓計(jì)、浮標(biāo)和水流計(jì)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(jìn)入客觀定性記錄要素階段。真正提出數(shù)值預(yù)報(bào)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(bào)問(wèn)題可歸根于控制大氣動(dòng)力和熱力學(xué)方程組的初值問(wèn)題,這是一個(gè)鮮明和具有生命力的觀點(diǎn),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(lái)越快的應(yīng)用到氣象研究和預(yù)報(bào)實(shí)踐中去,它將氣象學(xué)造就成物理學(xué)科,并為后來(lái)取得一系列重大成就指明道路,通過(guò)將氣象學(xué)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為一個(gè)更加廣泛的數(shù)學(xué)—物理問(wèn)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(guò)相關(guān)的數(shù)學(xué)物理方程應(yīng)用到天氣預(yù)報(bào)實(shí)踐中去。

Vilhelm Bjerknes提出的數(shù)值預(yù)報(bào)思想由被譽(yù)為“現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)之父”的英國(guó)氣象學(xué)家Richardson在1922年首次通過(guò)手工試驗(yàn),他利用天氣演化的原始方程組,用手工的方法計(jì)算了6 h以后歐洲地區(qū)的地面氣壓場(chǎng),完成了《用數(shù)值方法預(yù)報(bào)天氣》這本公認(rèn)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的開山之作,不過(guò)嘗試最終歸于失敗,預(yù)報(bào)的6 h氣壓變化達(dá)到154 hPa,而實(shí)際氣壓幾乎沒(méi)有變化。雖然如此,Richardson的工作向手中沒(méi)有任何快速計(jì)算工具的氣象學(xué)家表明,對(duì)未來(lái)天氣的計(jì)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(jì)算工具的改進(jìn)。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(jìn)展的背景下,電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái),為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC上成功進(jìn)行了人類第一次成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)。1954年12月1日,瑞典空軍氣象局與斯德哥爾摩大學(xué)國(guó)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(shí)驗(yàn)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(bào),這是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)首次投入業(yè)務(wù)化使用。數(shù)值預(yù)報(bào)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(lái)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(lái),從最初的 Kivisild在1954年計(jì)算模擬了一次襲擊美國(guó)的風(fēng)暴潮過(guò)程,到1963年Baer采用PNJ法作海浪預(yù)報(bào)并編寫成計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行,都體現(xiàn)著數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。目前,已從最初的風(fēng)暴潮和海浪兩個(gè)方面擴(kuò)展到海溫、溢油飄溢擴(kuò)散、泥沙運(yùn)移和海洋污染物擴(kuò)散等方面的數(shù)值模擬及預(yù)報(bào),數(shù)值預(yù)報(bào)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐漸成為許多國(guó)家氣象海洋業(yè)務(wù)和研究的重要內(nèi)容。

2 我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)于1954年開始數(shù)值預(yù)報(bào)理論的研究并摸索制作數(shù)值天氣預(yù)報(bào);1955年用圖解法兩層模式作出了500 hPa 24 h的預(yù)報(bào);1959年用電子計(jì)算機(jī)制作亞歐范圍和北半球范圍的正壓、斜壓過(guò)濾模式的高度場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào),開始了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào);1969年國(guó)家氣象局正式發(fā)布短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào);1973年開始用原始方程三層模式制作預(yù)報(bào),以后逐步改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式并實(shí)現(xiàn)了資料輸入、填圖、分析和預(yù)報(bào)輸出的自動(dòng)化,預(yù)報(bào)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(guò)程的影響。除完成日常的短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)外,國(guó)家氣象中心于1991年6月建成我國(guó)第一代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng) T42;1995年6月又建成了我國(guó)第二代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng) T63;1997年6月建成了我國(guó)第三代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng) T106L19,目前業(yè)務(wù)運(yùn)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(bào)系統(tǒng)T213L31(表 1)。

表1 我國(guó)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(bào)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(guó)已在國(guó)家海洋預(yù)報(bào)臺(tái)業(yè)務(wù)組裝使用提供海浪數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,并針對(duì)各個(gè)區(qū)域建立使用了相對(duì)應(yīng)的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)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(bào),從而使我國(guó)海浪預(yù)報(bào)范圍由過(guò)去的近海和西北太平洋擴(kuò)大到全球,成為繼美國(guó)、日本和歐洲中心等海洋預(yù)報(bào)發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際組織之后,世界上少數(shù)幾個(gè)可以發(fā)布全球海浪數(shù)值預(yù)報(bào)的國(guó)家之一。

3 數(shù)值預(yù)報(bào)的制作

數(shù)值預(yù)報(bào)是以物理理論為基礎(chǔ),用數(shù)學(xué)的方法將預(yù)報(bào)對(duì)象未來(lái)的狀態(tài)計(jì)算描述出來(lái)。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(jì)算分析的方法對(duì)這些數(shù)學(xué)物理方程組進(jìn)行離散化,再把離散化后的方程組編寫成計(jì)算機(jī)程序,以便借助高速計(jì)算機(jī)完成這一工作量巨大的運(yùn)算,這一非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件包就是平常所稱的數(shù)值預(yù)報(bào)模式。之后把整個(gè)大氣或海洋空間分割成均勻分布的一個(gè)個(gè)小立方體 (稱之為網(wǎng)格點(diǎn)),一般來(lái)說(shuō),這些小立方體的邊長(zhǎng)水平方向有10～100 km,垂直方向有幾十米不等,隨著未來(lái)數(shù)據(jù)同化方案的優(yōu)化和觀測(cè)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(shí)氣象海洋要素觀測(cè)資料 (如氣壓、溫度、風(fēng)和浪高等)在很短的時(shí)間內(nèi)收集起來(lái),然后,把這些非均勻分布的資料插值到均勻分布的一個(gè)個(gè)小盒子上,即模式網(wǎng)格點(diǎn)上,形成數(shù)值預(yù)報(bào)模式的初值。完成后再在巨型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行數(shù)值預(yù)報(bào)模式,一個(gè)時(shí)間步,一個(gè)時(shí)間步,一個(gè)格點(diǎn),一個(gè)格點(diǎn)地計(jì)算大氣海洋的運(yùn)動(dòng)變化。整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)段的計(jì)算結(jié)束后,模式將預(yù)報(bào)出全球或某一區(qū)域每個(gè)格點(diǎn)的氣象海洋要素值,即預(yù)報(bào)出未來(lái)的天氣和海洋運(yùn)動(dòng)狀況,再根據(jù)具體情況通過(guò)一系列的加工成各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。其數(shù)值預(yù)報(bào)制作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)值預(yù)報(bào)制作流程

正因?yàn)槿绱?數(shù)值預(yù)報(bào)首先要求建立一個(gè)較好的反映預(yù)報(bào)時(shí)段大氣和海洋的數(shù)值預(yù)報(bào)模式和誤差較小、計(jì)算穩(wěn)定并相對(duì)運(yùn)算較快的計(jì)算方法;其次,由于數(shù)值預(yù)報(bào)模式運(yùn)行對(duì)初始條件的極端敏感,也就是初值對(duì)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(bào)的計(jì)算數(shù)據(jù)非常之多,很難用手工或小型計(jì)算機(jī)去完成,必須要有大型的計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

4 數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展背景下的預(yù)報(bào)員作用討論

數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化前,預(yù)報(bào)的制作是由預(yù)報(bào)員依據(jù)天氣學(xué)和海洋學(xué)理論分析各種圖表和觀測(cè)到的要素值后外推出形勢(shì)而作出的。數(shù)值預(yù)報(bào)應(yīng)用后預(yù)報(bào)工作經(jīng)歷了以人工主觀預(yù)報(bào)為主,數(shù)值預(yù)報(bào)逐漸有參考價(jià)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(bào)技巧的持續(xù)、穩(wěn)定提高而在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位的過(guò)程,基本取代了預(yù)報(bào)員的形勢(shì)預(yù)報(bào)工作,并逐漸向單個(gè)要素預(yù)報(bào)和其他一些預(yù)報(bào)項(xiàng)目方面發(fā)展,雖然如此,預(yù)報(bào)員的作用仍然不可代替。

首先,就目前來(lái)說(shuō),數(shù)值預(yù)報(bào)模型的建立不可能絕對(duì)完整地將大氣和海洋狀況模擬出來(lái),除了我們尚未完全地認(rèn)識(shí)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外,還因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程是個(gè)非線性的過(guò)程,也就是說(shuō),它在遵照某些特定的演變規(guī)律 (規(guī)律也不是絕對(duì)穩(wěn)定的)發(fā)展的同時(shí),也存在著無(wú)數(shù)的不確定因子,這些因子對(duì)有序演變的干擾作用有大有小、有先后、有隨機(jī)性。而模型建立過(guò)程會(huì)對(duì)某些影響比較小的因子進(jìn)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(jì)算機(jī)也不可能勝任模型的計(jì)算任務(wù)。

其次,大氣和海洋是一種具有連續(xù)運(yùn)動(dòng)尺度譜的連續(xù)介質(zhì),故不管模式的網(wǎng)格點(diǎn)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(yùn)動(dòng)無(wú)法在模式中確切地反映出來(lái),這種運(yùn)動(dòng)過(guò)程稱為次網(wǎng)格過(guò)程,如湍流、對(duì)流、凝結(jié)和輻射過(guò)程都包含有次網(wǎng)格過(guò)程。

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

可以這么說(shuō),數(shù)值預(yù)報(bào)永遠(yuǎn)無(wú)法絕對(duì)完整真實(shí)地將大氣海洋描述出來(lái),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(shí),例如,目前采用參數(shù)化的方法來(lái)考慮次網(wǎng)格過(guò)程,初始場(chǎng)為概率密度函數(shù)的多模式集合預(yù)報(bào)方法來(lái)解決誤差源等,都只是將干擾減少,而不能從根本上解決問(wèn)題。

觀測(cè)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(bào)在業(yè)務(wù)使用時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)和訂正,預(yù)報(bào)員處在數(shù)值預(yù)報(bào)模式使用的最前線,對(duì)各種模式的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)用情況有著最直接的體驗(yàn),這將有利于完成對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用改進(jìn)和后處理,使之準(zhǔn)確率進(jìn)一步提高。就目前來(lái)說(shuō),常有各模式預(yù)報(bào)結(jié)果不一致的情形,這就需要預(yù)報(bào)員集合各種預(yù)報(bào)結(jié)果為一體,作出群體決策意見。以預(yù)報(bào)員為主體的各種經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法統(tǒng)計(jì)地包含了各種復(fù)雜地形特征等對(duì)局地預(yù)報(bào)要素的影響因素,對(duì)局地要素預(yù)報(bào)具有很好的預(yù)報(bào)效果,這種主觀經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和客觀數(shù)值預(yù)報(bào)的最佳結(jié)合使用將有力的提高和改善預(yù)報(bào)能力,這一切都必須由預(yù)報(bào)員來(lái)完成。

根據(jù)生活生產(chǎn)需要開辟新的預(yù)報(bào)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(cè)系統(tǒng)的整合都將是預(yù)報(bào)員的任務(wù)范疇,目前,這一塊都開展了起來(lái)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(cè)產(chǎn)品,它們的發(fā)布,已經(jīng)開始很好地為社會(huì)服務(wù),更加體現(xiàn)了預(yù)報(bào)在生活生產(chǎn)的價(jià)值,可以預(yù)見這些產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用在未來(lái)將廣泛鋪開。

預(yù)報(bào)員除了是個(gè)業(yè)務(wù)員外,完全可以加入到科研的行列,參與對(duì)理論的研究。具有學(xué)科廣泛感性認(rèn)識(shí)的預(yù)報(bào)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(bào)理念的創(chuàng)新將引起預(yù)報(bào)工作的革新,在新的條件下,預(yù)報(bào)員將開辟新的價(jià)值領(lǐng)域。

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

5 結(jié)論

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

2)數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展基本上與各學(xué)科理論的進(jìn)步同步進(jìn)行,尤其是電子計(jì)算機(jī)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(bào)和主觀預(yù)報(bào)的最佳結(jié)合使用由預(yù)報(bào)員來(lái)完成。

4)未來(lái)預(yù)報(bào)員的任務(wù)將更加廣泛化。

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