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天气预报已经从经验发展成为复杂而严格的物理、数学理论和超级计算的大系统工程。本文从物理学角度回顾了其发展历史，并探讨了其未来发展，将其应用于更大规模、更复杂的气候和生态环境系统预测与控制题的建模以及人工气候修改工程。理论。题。这些是跨学科题，需要地科学、数学和物理界以及化学和生物学界的合作研究。关键词数值天气预报，经验，准地转模型，原方程模型，集合预报，四维同化
01天气和大气状态变量
人类生活在地表面和大气层中，其活动与大气状况和大气中发生的现象密切相关。风雨、云雷、晴阴、冷暖等现象是人们最敏感、最感兴趣的对象，常被称为气象、天气或气象现象。观察和研究这些现象就形成了新旧“气象学”。气象学实际上是大气状况及其变化的各种反映，而要用物理学的语言来定义大气状况，就必须使用“大气状态变量”，即气象要素。对这些变量及其变化模式的测量和研究形成了现代“大气科学”。“气象学”与“大气科学”词源相同，名称不同，虽然是同一门科学，但侧重点和研究方法不同，后者拓宽和深化了前者。
谈论“天气现象”是比较直观的，也是一种形象思维及其表达方式，但从物理角度谈论“大气状态变量及其变化”就不是完全直观的了，应该是分析并定量表达。
这里还有两个词值得一提。“天气”和“气候”。这两个词在日常生活中经常使用，指的是“天气”，即大气现象的表现。然而，“科学”知识分为“学科”，每个学科都有不同的研究对象范围和类别，因此“天气”和“气候”在气象学和大气科学中具有不同的含义和定义。困惑；“天气”指的是个体大气现象，指的是短期现象，例如一天之内，而“气候”指的是大量个体在较长时期内的行为，例如一个月。统计平均条件如季节、年份等。
气象和大气科学研究的主要目的是天气预报和气候预测。两者都预测未来事件，但时间范围不同。目前的天气预报服务是每天预报从那一刻起的天气，目前正在测试长达7天的所谓“中期天气预报”和“气候预报”。“预测”涵盖长达半个月。下个月或下季度三个月平均气候预测、第二季度平均气候季间气候预测、2018年气候变化趋势。比如今年下半年或者明年。本文下面介绍的大部分内容都是针对“天气预报”的，由于目前气候预报业务正处于尝试阶段，尚未成熟，因此仅简单提及“气候预报”。
您可能想知道如何预测或预测未来10天或半个月到下个月的天气。这是中间的空白区域。以目前的科学水平来看，确实是“尺有所短，寸有所长”，我们无法达到两端。哪些属性是可预测的，哪些属性不可预测？有待将来考虑。
02观察天空，看天气图——体验天气预报
人们仰望天空，观察风云如何升起、云合、雨停。我可以。在某种程度上，它可以使当地的天气预报更加准确，因为它们针对的是其他特定区域或更广泛的区域。最著名的例子就是《三国演义》中诸葛亮预言东风到来以及东风引起的大雾的故事，这是前科学的天气预报。——是基于个人经验。
到了上个世纪，气象仪器被发明并应用于定量测量风速矢量、压力、温度、湿度、大气中水汽含量、辐射通量等大气状态变量，但目视检查项目也有好几种。它仍然被留下。由此，气象学开始进入“科学时代”。特别是无线技术的成功和广泛应用，使得各地气象观测数据能够及时、实时地收集到中心并绘制成“天气图”和天气图。天气图的结构使您可以从三个维度了解天气。由此，人们发现了天气系统，而当地天气与当地天气系统对应的风、降水、冷暖等密切相关。“锋面低压”、晴空主要与“反气旋”高压有关。其中，“旋风”和“反旋风”分别是指气流逆时针和顺时针旋转的涡流。图1所示为锋面气旋的结构示意图。
图1锋面气旋示意图取自Palmen的一篇论文。实线是1950年的地面等压线，虚线是天空中的流线，箭头是风向，粗黑线是1950年的流线。天空。它是冷锋和暖锋的分界线，该带由冷锋的冷空气驱动。
于是，天气预报进入了“科学时代”，人们觉得预报首先要预测天气系统的运动和强度的变化，即所谓的天气状况。通过获得一些经验并应用物理定律（主要是流体力学和热力学），您可以通过查看天气图并进行一些简单的计算来进行短期天气预报。虽然使用这种天气测绘方法的预报是基于科学分析，但它们也很大程度上依赖于预报员根据经验的主观判断。这种方法是上个世纪，特别是1980年之前的主导方法，至今仍被广泛使用。
03基于物理原理的客观天气预报——数值天气预报及其波动周期
人们意识到天气预报首先需要预测天气系统的演变，很自然地想到原则上，预测题可以简化为添加一定边界和初始条件的斜压流体动力学方程的求解，即，求解数理方程。一旦实现，天气预报将不再基于经验，而是客观、定量，上升到科学理论的水平。
上世纪初，这样的斜压流体动力方程组可以概括地列举出来，但非常复杂。这是因为大气是可压缩的，内能和动能相互转换，而气体状态方程包括密度、压力、温度，以及水蒸气的相变和辐射能的传递，涉及到各种复杂的方程。物理过程。它们形成了一组复杂的非线性偏微分方程。就求解非线性偏微分方程的数学题而言，尽管许多物理过程仍未得到讨论，但当时还没有正式的解。没办法，只能交给神来综合解决了。
毕竟，大多数现实世界的数学方程都是非线性的，必须应用于解决现实世界的题，但没有现成的解决方案。于是，数学家们回到了微积分的本源，用有限差分来近似微分，用和来近似积分，把微分方程的求解方式改为算术运算，创造了“数值解法”。理查森知识渊博、多才多艺，他热切而大胆地尝试利用这些知识来求解斜压流体动力学方程。他的书出版于1922年，书名为《通过数值处理进行天气预报》[2]，由此产生了后来的“数值天气预报”一词，尽管科学天气预报是基于相应的数学公式。可以通过求解来完成，但这是一个物理属性。它是题的解，而数值解只是方法题。
举个例子，理查森将欧洲地区划分为一个网格，将气象站的观测值插值到网格点上，在空间和时间上进行微分运算，按照固定的步长逐步计算。按照当时的计算条件，如果给10000个计算器，每天24小时计算，就可以计算出第二天的天气。后人称之为理查森的梦想。可惜理查森个人的小规模计算实验出了差错，他计算出的6小时地表压力变化很奇怪。为此，气象界人士对这种方法非常失望，长期以来被认为是一种令人望而生畏的方法。但不管怎样，数值天气预报在你的肚子里已经是个新东西了，但它需要时间并在它诞生之前通过灾难性的考验。
04滤波模型和准地转模型的诞生——数值天气预报
理查森实验失败的原因当然是因为当时的观测站太少，无法提供三维空间的初始磁场，而且，无论观测到与否，误差的原因是它太大了。插值到网格点的值，有两个是显而易见的。后来我再盘点的时候，发现他在物理思维和计算数学上也犯了两个严重错误。
从物理角度来看，天气系统等相对缓慢、大规模的涡流运动，其时间尺度每天都在变化，主要作用力有重力、科里奥利力、地转偏转力、斜压力等。这三者几乎处于平衡状态，这是一种作为气象学原理讨论的规律准静态和准地转平衡。惯性力大约比科里奥利力小一个数量级。除了涡流之外，大气运动还包括声波、湍流、阵风、对流、引力波等变化相对较快的过程。这些是反映天气系统的所谓“噪音”的集合。这也显示在上面的初始字段的错误中。由于上述三种力处于准平衡关系，反映天气系统变化的惯性力本来就很小，而由于观测误差等因素而产生的错误而强大的“噪音”会混入并掩盖天气。天气系统变化信号。
从物理学的角度来看，我们可以看到较小的时间步长应该用于计算快速的动力学过程，而较大的时间步长可以用于计算缓慢的过程。时间步与其对应的周期，或者更准确地说，特征时间尺度的比例应该大致相同，这是后来研究得出的计算稳定性标准之一。执行相同的时间步长会导致快速过程的计算误差显着放大。分阶段按下会导致虚假的大幅度快速运动，从而淹没缓慢过程运动变化的信息。
当时理查森既没有意识到大气运动的多时间尺度性质，也没有意识到时间步长的，犯了双重严重错误，他的预测结果只不过是虚假而强大的噪音。这毫无意义。
认识到这一点后，直到高速电子计算机的出现，我们才不得不考虑“过滤”的概念来分离和计算大尺度涡流的运动。这里，重要的是要充分利用上述三个力的准平衡性，因此建立了相应的逐步逼近方法。通过计算地转风力的惯性，并将其与热力学方程相结合，可以获得仅保留涡旋运动的“准地转模型”。该方法由Kibel于1940年提出[3]。他取得了巨大的成功。他独自在手摇计算机上工作了六个小时，完成了苏联欧洲部分的24小时天气预报地图。比较接近现实。基维尔随后写了一本书[4]并形成了系统的理论。“准地转模型”成为研究以大尺度涡动为中心的大气和海洋动力学的经典模型，甚至在高速电子计算机出现后，直到20世纪70年代仍被用于数值天气预报.我在这里。
另一种过滤模式由Rossby[5]于1939年首次提出。他对整个气柱沿垂直方向的大气运动进行积分，发现积分后的二维速度场没有发散，从而得到了一个只包含涡运动的二维“正压涡度方程”。我想了想。然而，当时罗斯比主要将其用于分析和研究高空天气图中的大范围长波，这些波实际上是波状气流形式的涡流运动。Charney当时的目的是用作天气状况的预报地图[6]，但直到1947年，世界上第一台由电子管构建的电子计算机ENIAC才诞生。世界上第一张计算机生成的24小时天气预报地图是通过积分非线性正压涡度方程创建的，图2就是一个例子[7]。因为强调计算方法和电子计算机，所以正式确定了“数值天气预报”这个术语，不过虽然名字隐藏了水动力天气预报方法，但后者更能体现本质。
图2全首张计算机生成的24小时数值天气预报图，实线为500hPa、5km海拔高度等值线，虚线为涡度等值线。
自1954年以来，数值天气预报一直是美国天气预报员的日常工作。从这一点开始，大部分使用的方程变成斜位涡方程而不是正压方程，并且实际上完全是准地转方程。
05斜压流体动力学原始方程模型——数值天气预报之青春
过滤模式捕捉天气系统的核心，主要是涡流的运动。在大面积上平均，惯性力的绝对值确实比科里奥利力的绝对值小一个数量级，但在一些重要的局部区域甚至相当，导致准地转模型不准确。足够的。此外，诸如被过滤的引力惯性波之类的“噪声”会与真实大气中的涡旋运动发生干扰和相互作用，实际上不能简单地分离而不考虑其影响。此外，由于引力波和对流会导致局部恶劣的天气现象，因此使用滤波模型进行数值预测是实现这一目标的唯一方法。
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