数值天气预报近期的发展趋势【精品资料】

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1、數值天氣預報近期的發展趨勢鄭明典中央氣象局氣象科技研究中心一、前言大氣的行爲可以用一組以數學方程式表示的物理定理來表達，由這些物理定理可以計算大氣的量或場（如溫度、風向和風速及濕度等）將如何改變，因此如果我們可以解山這組代表物理定理的數學式，我們就可以由目前的天氣狀態推衍出對未來天氣現象的描述，這就是我們所調的數値天氣預報。然而，那些表示物理定理的數學式均相當複雜,數學上並無完全正確的解答以提供我們對耒來大氣行爲的描述，因此我們只能透過數値模式來獲得趨近解。電腦即是用來協助我們用一組有限的數値解來代表大氣場並計算出大氣的未

2、來狀態，如果代表大氣場的數値解之空間解析度越低，那麼所得的大氣未來狀態就越不詳細、對天氣預報的助益就越小；如果代表大氣場的數値解之空間解析度越高，就得利用較昂貴的電腦資源才能計算出解答來，當然，代表大氣場的解析度越高，所得的大氣未來狀態就越詳細、對天氣預報的助益就越大。對中短期數値天氣預報而言，預報品質的好壞受初始場的影響很大。將各種觀測資料以特定變數型式彙整至特定網格系統，此步驟稱爲資料同化，其結果稱爲分析場，而此分析場通常也是數値天氣預報系統之初始場。如果在資料同化過程中不只考慮資料在空間上的相互關係及內差，同時也考慮

3、資料在時間上之關連性，例如利用數値動力預報模式進行不同觀測時間資料之串聯，這便是所謂的資料四維同化。由以上所述可以知道，發展數値天氣預報的耍件包括:足夠與準確的氣象觀測資料配合有效的資料四維同化技術、合理精確的數値天氣預報模式、及具高速運算能力的電腦資源。所以數値天氣預報的發展方向，可以由此三要素的發展現況來討論。二、氣象觀測與資料四維同化傳統氣象探空觀測仍是冃前最準確可幕的氣象資料來源之一，但是並非所有國家都有能力也有興趣支持此項觀測業務，近年來世界氣象組織甚少有新增測站之資訊發布，顯然傳統氣象探空觀測已無進一步拓展之空

4、問。値得注意的是，我們也發現有越來越多的既有測站取消或減少例行觀測業務，尤其是當有地區性重大政經情勢變化時，例如在前蘇聯解體後和波斯灣戰爭期問，探空資料都曾發生數量異常的變化。就全球性氣象觀測資料來源的穩定性而言,傳統氣象探空觀測亦非任何單一國家或組織所能掌控，因此先進國家熱衷於開拓不受國界限制之觀測平台的努力有更深一層資料安全性的考慮。相對於傳統定時定點的氣象觀測，新近增加的所謂非傳統氣象觀測，如衛星遙測、飛機氣象報告及地面的雷達、頗風儀等，大都是執行時問上（近似）連續的作業'顯然兩者性質上有所不同。早期資料四維同化過程

5、屮，必須將一段時間內的觀測視爲某一定時的資料，此種處理方式稱爲「間歇式」資料四維同化，這種方式無法展示時間上連續觀測資料之優點。最近作業氣象界最顯著的技術突破便是發展出實用的「連續式」資料四維同化程序，此技術能精準的使用每一筆資料的觀測時間,使隱含在資料屮的氣象資訊不會因爲人爲的時間平均運算而失去。因此相較於問歇式資料四維同化，連續式同化的最大優點應是在於掌握短時間尺度天氣系統的資訊，邏辑上連續式同化技術應更有利於高解析度模式之作業。不過，實作上連續式同化程序相當複雜也相當花電腦時問，而且模式中複雜的物理計算也可能造成同化

6、過程的惡差，因此連續式同化技術的效益還有待新電腦及新技術發展來進一步提昇。就過去十年氣象資料量的變化趨勢而言，全球性的氣象觀測資料數量增加最多的是衛星遙測資料，預期此趨勢仍將持續。基本上衛星觀測提供的是幅射強度的資料，一般而言使用幅射資料於數値天氣預報需經過衛星反演計算，此步驟常會產生相當程度的誤差,而過高的誤差及不充足的垂直解析度正是現今衛星遙測資料最被詬病的地方。然而隨著遙測及資料四維同化技術的進步，衛星遙測資料的可用度止逐年捉昇中，就全球氣象資料四維同化的發展而言,未來以衛星遙測資料爲唯一資料來源的數値天氣預報作業是

7、可能的。如果仔細分析現行衛星遙測資料的來源,我們發現氣象衛星事實上是掌控在極少數的國家之中，這些國家享有資料使用的絕對自主權。反過來說，未來在氣象資料獲取與使用上，我國的弱勢地位將相對的萸爲明顯。提供氣象資訊的觀測衛星，一-般來說包括或防衛星、氣象衛星及地球資源衛星。最近美國有整合此三類觀測衛星的計畫，理由是此三類衛星有部分共有的功能,現階段因各別單位使用資料的優先次序及處理程序不同，資料並沒有充分有效的被使用。計畫中美國政府希望爲所有衛星遙測資料的使用規劃出單一高效率流程，先由國防部門在第一時間使用所有可用資料並過濾國防

8、專屬資料，其次再將整組資料傳送至氣象作業部門，最後再開放給其他相關作業及硏究發展部門及單位，如此可以省去現行許多繁複的部門問資料交換的程序，也可以簡化資料控管的問題，只不過此種設計顯然將降低部門問資料交換的重耍性，資料流程本身足以形成一封閉的資訊網，長期發展可能不利於不在規劃流程中之單位。—GMS5紅外