数值预报的方法

第一节　数值预报的方法

自然界的事物都是相互联系相互作用的，这种联系和作用是那样无穷无尽，以致任何复杂的描述都相形见绌。用物理一数学方法来研究自然现象时，如果“眉毛胡子一把抓”主次不分地考虑到所有各个方面，不仅会使问题复杂化，而且还会导致错误的结果。研究某一现象，重要的不是它受到哪些因素的作用，而在于正确的区分什么是主要的，什么是次要的，什么是无关紧要的。

从实际过程中抽出主要特征，用数学式子把它描述出来，变成一个数学问题，这个问题就称为原问题的数学模型。在这些主要特征之外的种种因素，是数学模型所未包括的，但实际上却存在着，因而总会有这样那样的影响。当把理论结果和实际观测结果相比较时，一定会觉察到这种影响。不过差异有大有小，这差异就是数学模型和实际自然现象的符合程度。哪些因素重要，哪些因素可以省略，这些问题的解决往往是很不容易的，归根结底只有用长时期的实践来解决，只有算出的结果和实际观测的结果相符合时，才证实了哪些因素确实是可以省略的。数学模型就是实际情况的这样那样的理想化。所谓数值预报模式，就是实际大气情况的数学模型。由于实际情况的不同，所以模式也是各种各样的。如因为预报对象不同而有一般的预报形势场模式、降水模式、台风模式之分；因为具体解法不同，又分差分模式、谱模式等；因为设计的水平网格距不同，空间取的层次多少不一样，又有所谓细网格模式，三层模式，六层模式和十层细网格模式等等。迄今为止，数值预报模式已数以百计，就是用于业务预报的模式也达三十多种。但是大体上可以按照所使用的微分方程组，把它们分为地转模式、平衡模式和原始方程模式三大类。

一、实际大气的面貌

地球周围的大气是可压缩的、有粘性的流体，其中混合有水汽和其它气体。它受到地球的吸引和地球旋转的影响，用专门术语表达的话，就说它处在地球的重力场和旋转力场的作用下。地表面的摩擦，陆地上地形的起伏，海洋上海水的流动等，都对近地面的空气以复杂的力的作用。

大气在地球上是一个整体，内部相互有力的作用，有压缩和膨胀。大气吸收太阳光（太阳光的波长较短，称为短波辐射），还吸收来自地面的辐射（这种辐射波长较长，眼睛看不见，被称为长波辐射）。大气对来自太阳的短波辐射和来自地面的长波辐射的吸收率与大气中水汽、二氧化碳和臭氧的多少有关。大气本身不断放射长波辐射。大气和地面向外放射的长波辐射的量与温度有关。大气通过不规则酌运动和地表面交换热量。水蒸发变成的水蒸汽也通过湍流进入大气之中，达到地面的太阳光的热量的大部分消耗在蒸发上，而水蒸汽在空中凝结成云致雨时，把热量给了大气。水由液态变为气态再变为液态的过程，起了输送热量的作用。而水汽何时何地凝结是与大气运动情况有关的，而大气运动情况反过来受到热量得失不均匀的影响，这是—种十分复杂的相互制约。大气处于不停的运动之中，运动本身使热量、水汽、动量和其中气体的含量等从一个地方输送到另一个地方，改变了它们的分布，反过来又迫使运动状态发生改变。大气和地球的固体部分和液体部分，也就是陆地和海洋之间存在着复杂的相互作用。冰雪状况，植物生态过程，人类活动都对大气有影响。

总之，现实世界各种方面的联系实在是无边无涯，无论怎样详尽地描述，和实际大气相比都是极为粗浅的。

二、地转一层模式

地转一层模式是最简单的数值预报模式，但是它通过最简单的微分方程能抓住短期天气过程的基本特征。

这种模式设想大气中不存在各种热量交换，运动能量没有耗损，这叫做“绝热无摩擦近似。”这样一来，大气运动就不受地面上山脉、海洋等不均匀性的影响，辐射和水汽的相变等都通通不起作用了。再设想从上到下，各层的运动状态都相同，这就可以用一个层次上的运动代表整个大气的运动。又考虑到气压场和风场之间接近于地转平衡，实际上这种平衡是一种动的平衡，现在认定这种平衡时时保持，这就使数学模型中没有快速的适应过程，用专门的术语说就是“滤去了声波和重力波”。这种近似，使模式获得了地转模式的名称。

经过这些简化之后的地转一层模式的物理意义是很明确的，它认为500百帕（大气中间层，大约离地面5500米左右的高度上）上绝对涡度守恒。大家知道，涡度是一个度量流体旋转运动的量。在进行天气预报的实践过程中，人们发现，一个地方的天气变化是由于大气中一个个移动着的天气系统造成的，这些天气系统，不论是在高空还是在地面图上，大多是涡旋状的，如高压、气旋、台风之类。从卫星云图上还可以看到，在气旋、台风等发展的前期，运动很不规则，但是慢慢地变成了有规则的涡旋运动。天气预报的任务就在于抓住这种系统的来龙去脉，估计它的生成、发展和消亡等情况，作出过境时的天气预报。地转一层模式正是抓住了大气涡旋运动这一重要特征。在物理上，将速度的旋度定义为涡度，它是一种矢量场。天气尺度的运动是准水平的，因而一般只考虑水平运动的涡度，即涡度的垂直分量。涡度在自然坐标系里可分解为曲率涡度和切变涡度两部分。

以高等线代替流线，可以从日常天气图上估计正负涡度的大致分布；如在明显的槽区为正涡度区，明显的脊区大致为负涡度区；闭合低值区大致为正涡度区，闭合高值区大致为负涡度区；平直急流轴以北为正涡度区，以南为负涡度区。上面讨论的涡度是相对于地球运动的风场反映出来的，有时称为相对涡度。绝对涡度应等于相对涡度加上由于地球转动而产生的所谓牵连涡度。由力学中知道，当外力矩的总和为零时，刚体旋转运动的角动量保持不变，这叫做角动量守恒原理。

对于500百帕上的大气尺度运动，类似地考虑角速度守恒原理，就近似的得到绝对涡度守恒原理，即在运动过程中，空气元量的绝对涡度保持不变。道理虽然简单，却抓住了对流层中部运动的主要特征。气块运动时，虽然其相对涡度和牵连涡度都可以随时间变化，但这两者变化的总和却没有变化，即气流往北运行时相对涡度减小，往南运行时相对涡度增加，这可解释西风气流中受到扰动时形成的类似于每天500百帕图上所见的波动。实践表明，地转一层模式不但能报出系统的移动和变化，有些环流的演变和槽脊的生消也可以预报出来，因为尽管绝对涡度守恒，但切变涡度和曲率涡度却可以不守恒，它们之间有可能相互转化。如切变涡度转化为曲率涡度则气压系统加强，如曲率涡度转化为切变涡度则气压系统减弱，如平直西风流场中涡度主要由切变造成，急流北侧有气旋性切变，南侧有反气旋性切变，如果由于某种原因，某部分切变涡度转化为曲率涡度，在西风带中可能有槽脊新生，此外，在某些情况下，还可定性地报出局部地区经向环流转为纬向环流，或纬向环流转为经向环流等变化。应该指出，地转模式在我国特别是在西北、西南地区应用效果不够理想。这可能由于：第一，我国地形复杂，青藏高原是世界上最大的高原，对青藏高原来说，500百帕接近地面，甚至在地面以下，地形影响十分重要；第二，总的来说，我国纬度偏低。因此，正确地考虑地形和低纬度的影响，对改进我国天气数值预报是十分重要的。

准地转一层模式表示的是绝对涡度守恒，虽然由于曲率涡度与切变涡度相互转化也能对天气系统有一定的预报能力，但这只是实际天气发展中有限的部分。因此，一层模式描述天气系统的新生、强烈发展或消亡是不力的。具体地说，对于高压脊的强烈发展，阻塞高压或切断低压的形成，由于冷空气入侵造成阻塞高压的崩溃或后退以及夏季低纬度副热带高压的进退等过程一般预报不准。低压移动往往比实况偏北，高压的发展往往比实况弱，在副热带却有时给出虚假的高压发展，强烈的发展又多半报不出来等。出现这些情况的原因是比较复杂的。有些气象工作者就想进一步考虑非地转运动的影响，提高风压关系的精确度，得出了风和气压之间的另外一种平衡关系，这个关系被称为“平衡方程”。利用它同样使问题得到了简化，这样得到的模式叫做“平衡模式”，在理论上它比地转模式完善得多，不过实际上，改进并不大。

地转模式在大量的预报实践中发现了许多缺点，平衡模式又没有得到预期的结果，而电子计算机的计算速度的提高和计算数学的进一步发展，却给用原始方程组做预报创造了条件。目前世界各国大都采用原始方程进行数值预报，被称为“原始方程模式”。从表面上看，似乎又回到了70年前理查孙的工作上。实质上，这不是简单的重复，而是在更高水平上的继续发展。

三、大气的斜压性

上面我们介绍了无辐散层位势场的预报，这只能用来预报500百帕上的形势。天气预报的实际工作，当然不能满足于只作出这一层的预报。很自然，在地转一层模式取得了成效和经验的基础上，要进一步做不同高度上的预报。比如要做大气温度的预报，这就要考虑不同层次上的运动是不相同的，而各层之间存在着相互影响和关联。同时，人们也希望，通过考虑辐散的作用，能够对准地转一层模式作的500百帕预报有所改进。根据经验，天气形势的剧烈变化大都发生在等高线和等厚度线相交的强斜压区中，当等厚度线密集，它的槽（或脊）落后于高度槽（或脊）时，高度槽（或脊）往往发展；反之，则减弱。地面气旋的发展同高压槽的后倾现象有密切的关系。这些都意味着在气压系统有强烈发展的区域，必然有位能的释放和伴随着垂直运动。在这种区域，辐合辐散随着高度的分布是比较复杂的，可能不止一个无辐散层，并且无辐散高度不在500百帕附近，这时上、下各层运动相互关联密切，因此，一层模式对500百帕预报也就不可能得出完善的结果。要改进模式的预报性能，需要考虑辐合辐散，也就是考虑上、下各层的关联。而上、下各层的关联，实际上就是大气斜压性在天气变化中的作用。一层模式基本上没有考虑斜压性的作用。因此，在预报两三天内天气系统的缓慢变化和移动时，效果还不错，但对强烈发展或新生的系统则不易预报出来。在斜压大气中，斜压项的变化将会使绝对涡度发生变化，大气的内能、位能可以释放转变成动能，因此要预报天气系统的新生或强烈变化应改用斜压模式，在模式中要包括风的垂直变化，要考虑温度平流和垂直运动的作用。

斜压模式的实质是：空气元量在运动过程中，其绝对涡度随时间的变化与该元量的辐合辐散是相关联的。这在物理上就是角动量守恒原理。对于角动量守恒，我们可以打一个比喻。看过单人花样滑冰的人，都会有这样一个印象，当滑冰运动员在作旋转动作时，如果想要旋转快些，就把双臂紧贴躯干或伸向头顶，这样旋转就会自动“加快”。反之，要减慢旋转速度，运动员就需要把双臂伸开。这种现象在中学物理教科书上，可以找到解释：角速度与面积的乘积是一个常数。空气在运动过程中其旋转运动与变形运动并不是无关的，这里的旋转运动与变形运动是指把风场（即速度场）分成两部分，一部分是旋转风（即旋转速度），它构成涡度场：另一部分是散度风（也称位势速度）它构成散度场，两者有着密切的关系。在涡度场（即旋转速度）随时间的改变中，散度场（即位势速度）起了不可忽视的作用，必须加以考虑。但是大尺度运动的特点又是散度远远小于涡度，位势速度比涡旋速度不一个量级，它同风的观测误差差不多大。为了滤掉“气象噪音”可将位势速度略去，而将大气看成是无辐散的。现在又说散度场的作用不能忽视，必须加以考虑，这岂不自相矛盾吗？大气的大尺度运动究竟可否看成无辐散的呢？这不能作绝对肯定或绝对否定的简单回答，斜压模式的主要特点就是考虑了辐合辐散的作用，因此散度项本身必须保留，这自然认为大气是有辐散的。但是对于涡度平流项，可以把它看作是旋转速度的涡度平流与位势速度的涡度平流之和，而将后者略去，这里又把大气看成是无辐散的了。大气大尺度运动的另一个特点是准地转性。对于斜压模式在利用这个性时，也必须针对不同的情况，区别对待。因此如果不考虑科氏力随纬度的变化，地转风的散度等于零。实际上，散度是由非地转风决定的，因此在斜压模式中，将风场用地转风代替时，散度项中的风要另作处理；只有这样才达到了既简化了问题，又保持了斜压模式的主要特点。

四、平衡模式

即使对于地转斜压模式，还是存在一些系统性的误差，如低压移动往往比实况偏北，高压的发展往往比实况弱。在副热带却有时给出虚假的高压发展，锋区发展往往报得不够强，而强烈的发展过程又多半报不出来，对于超长波活动也报不好。出现这些情况的原因是比较复杂的。有些气象工作者就想在地转模式取得经验和发现问题的基础上，考虑非地转运动对大尺度天气过程的影响，以求进一步改进天气数值预报。这里首先想到的是提高风压关系的精确度，于是提出准无辐散假定得到平衡方程作为风压关系，这样就产生了所谓平衡模式。

下面谈谈有关平衡模式的一些问题。在大气的大范围运动中一般涡度的量级是10^－5至10^－4秒^－1，而散度比相对涡度小一个量级，地转风总是满足这个特性的。问题出在散度对时间的变率上，因为如果光是散度比涡度小一个量级，而散度对时间的变率很大的话，那么尽管开始时散度很小，却由于变率很大而使散度随时间变大。由此可见，除了反映散度小之外，还必须反映抑制散度发展的因素。大家知道，地转近似只有当流线和等高线都比较平直时才是一个比较好的近似，而当流线和等高线有较大的曲率或者沿空间分布不均匀时，地转近似是较差的。在这种情况下，地转近似所造成的误差的一种表现就是散度的时间变率很大，我们对水平运动方程进行散度运算而得到散度方程，由它不难看出，在地转假定下，当流线和等高线有较大的曲率和沿空间分布不均匀时，散度的时间变率就很大。如果不采用地转假定，而在散度方程中略去所有包含散度的项，这样就得到了“平衡方程”。它反映出在无辐散情况下，气压场和风场每一瞬间的平衡关系，在它里面如果只保留主要的两项就给出地转平衡关系。由此可见，无水平辐散假定是一个比地转假定更一般的假定，可以期望平衡方程能提高风压关系的精确度。

平衡方程表示气压（或高度）和风场处处时时处于平衡状态，因此和地转假定一样，它不描写风场和气压场的适应过程，这就滤掉了重力惯性波的解，因此，我们得到的平衡模式是和地转模式一样的除去了“气象噪音”的过滤模式。

我们知道，除非在等高线沿纬圈均匀分布的情况下（这时风场就不变化了），严格的地转运动是不存在的，即使我们假设某一时刻风场和气压场精确满足地转平衡关系，这种平衡关系是要破坏的，是不能维持的。因为这时风场和气压场由于平流作用还是要发生变化，而且变化是各自不相等的，这样就使原来的地转平衡变成不平衡，产生出非地转风来。所以并不存在一种真实的运动为地转模式所精确描述。无辐散假定则不然，在整个大气是无辐散以及由此而得出没有垂直运动的条件下，绝对涡度守恒方程和平衡方程都精确成立。这两个方程构成千层平衡模式（或称正压平衡模式），这就表明一层平衡模式不仅可以看作大气运动真实规律的近似描写，而且也可以看成是可能存在的某种无辐散运动的精确描写。这时运动将保持严格无辐散。空气元量的绝对涡度是守恒的，但并不是风场没有演变由于空气无量在移动中使涡度场不断改变，因而不断形成风场。对于理论研究来说，正压平衡模式的这一性质是非常吸引人的。

但是，大气的实际情况并不是严格无辐散的。所以，人们宁可不用在理论上没有矛盾的正压无辐散模式，而只用平衡方程来代替地转关系，也就是用于平衡方程来描写风压场之间的关系，但仍用涡度方程和热力学方程，这样就在准无辐散条件下得到了斜压平衡模式。

在理论上，平衡模式比地转模式完善了很多，自然为进一步改进数值预报带来了希望，不过实际上，改进并不像所期望的那样大。首先平衡模式是一个由涡度方程、热力学方程、连续性方程和平衡方程所构成的方程组，需要联立求解，这和地转模式比较起来，失去了简单的优点。更重要的是在解平衡方程时，在数学上遇到了困难；在一般情况下，平衡方程是椭圆形的，但是在高空急流南边或者在比较尖锐的高空脊附近，椭圆型条件往往不成立，这时平衡方程成了双曲型的。一个方程在整个区域中不是同一类型的话，这样的方程叫做混合型方程。为了避免求解混合型方程的困难，通常采取对高度场作人为的修改，使椭圆型条件在整个区域得到满足，然后求解，但这样修改的物理意义是不清楚的。平衡方程满足椭圆形条件后，可以用迭代法求数值解，由于是非线性方程，计算量仍然比较大。

实际计算表明：根据平衡方程算得的风场与地转风相比只在局部地区有比较明显的差别，而且在500百帕以上的层次差别较大，500百帕以下的层次差别则比较小，在槽区和脊区，根据平衡方程计算的风更接近实际风。由于平衡模式求解非常复杂。所以真正使用平衡模式作业务预报的不多，却经常应用平衡方程去求原始方程模式的初始场。下面我们谈谈广泛使用的原始方程模式。

五、原始方程模式

通过大量预报实践发现，地转模式存在一系列的误差，显然地转近似在许多情况下是不够精确的；而平衡模式又遇到了数学上的困难，方程变得很复杂，以至抵消了由于过滤快波而具有的优越性，而且平衡模式的预报实践也没有得到所期望的效果。这样，在50代末就提出了所谓原始方式模式，即像20年代初理查孙样，直接积分包含快波的方程。

自然，这里所提出的原始方程模式，绝不是再走理查孙的老路。理查孙积分原始方程失败的个根本原因是，他只考虑了大气运动的普遍性，没有抓住形成天气的大尺度运动的特殊性，结果方程中的快波与气压系统处于平等地位，我们要预报的缓慢运动被“气象噪音”掩盖子。鉴于理查孙失败的教训，在积分原始方程时，必须克服方程中包含的快波的干扰，即要采取滤波措施。从这一点看，原始方程模式和过滤模式（包括地转模式、平衡模式）是一致的，也可以说，没有过滤模式的发展作为基础，原始方程模式很快地得到成功和发展是不可能的。

我们强调过滤模式对大气运动作了简化，抓住了大尺度大气运动的主要特征，从而取得了初步的成效，并不是说原始方程模式就没有简化。事实上简化总是有的，例如，辐射热量的吸收和传送、水汽的凝结、湍流交换作用以及动能的耗散等等，在现有的原始方程预报模式中，考虑都是很不充分的。而这些物理过程主要地是和甚小空间尺度的扰动甚至是和分子过程相联系的。原始方程模式所以不能对这些物理过程作充分的考虑，而必须进行一些简化，是由于以下两个原因：（1）在预报方程中，连续的大气介质是被网格点所离散化了。或者，气象要素的分布是用一些被截断了的级数所表示。（2）体现这些物理过程的某些机制，被一些假设条件所取消了。例如，由于静力平衡的假定，局地浮力作用就没有了。

在数值预报中所使用的风格点，其相领两点之间的距离，一般在300千米左右，叫作空间步长。很明显，本身尺度比空间步长还小的天气系统和天气现象，在数值预报中就会被漏掉所以是没有办法直接考虑进去的。被漏掉的这些天气系统或现象，如积云对流、飑线等，一般叫作中小尺度天气。这正像用网捕鱼。只能抓住比网眼大的鱼，比网眼还小的鱼，当然是漏网之鱼，一般是捕不到的。

对于这些漏掉的物理过程，也只好采用“参数化”的办法来近似地解决。所以说，原始方程模式和过滤模式都存在简化，只是程度不同罢了。

但是，原始方程模式和过滤模式的区别又是很明显的。前者基本上沿用了理查孙曾经使用过的大气动力学方程组（而不是像过滤模式那样在一定的假设条件下，对方程进行了过多的简化），但是在滤波的做法上采取了新的途径。我们记得，在略去非线性作用和地转参数随纬度变化的情况下，快波主要是由于初始时刻的气压场和风场的不一致而引起的，如果初始时刻的气压场和风场满足一致性条件，则不会有快波产生。为了滤掉快波，可以只给出初始气压场，而初始风场由它与气压场的一致性来决定，或者反过来作。一般采用地转关系或平衡方程保证初始风场和气压场的一致性，以此滤掉初始场中的快波。也有人认为这样过滤并不彻底，还提出利用原始方程本身求出相互协调的接近平衡状态的初值，以求彻底的滤掉快波，称为原始方程模式的初始化问题。

正如大家已经知道的，即使初始时刻一致性条件成立，由于非线性及地转参数随纬度的变化的影响，会不断使一致性条件破坏，从而激发出快波来。在直接积分原始方程时，如何控制这种不断激发出的快波，使其始终保持微小的振幅，如同实际天气过程那样，这便是问题的关键。

无论是过滤模式还是原始方程模式，其预报方程都是非线性的，只能近似地求数值解，最常用的是所谓差分方法，首先，把方程转变到一组离散的空间和时间点上，并且用差分运算代替微分运算。在一定的空间网格点上，给出某一初始时刻的气象场后，再按一定的时间步长，一步一步的计算下去，直到算出预报时刻的气象场为止。时间步长取多少是很重要的。对于过滤模式，由于已滤去快波，时间步长可以取达两小时左右，这样保证计算过程是稳定的，即快波不致增长。原始方程中包含快波，时间步长必须大大缩短，只能取5～10分钟。24小时的预报，就需要计算200步左右，因此计算量大大增加，要做实际业务预报必须具有容量大、速度快的电子计算机。

在原始方程模式中，由于快波（惯性重力波）的存在，使得积分时的时间步长必须大大缩短，这种快波振幅的增长，会把整个预报结果搞乱，以致人们不得不想尽办法来抑制快波的增长，乃至消除它的存在。而在实际大气中，绝大多数的动能。都是与准地转运动相伴随的，存在于重力波的动能是绝无仅有的。对于这一现象的一般解释是重力波频散。因为重力波是色散的，所以在初始某时刻存在的重力波，都会向无穷远处扩散。特别重要的是，重力波频散是和它的三维结构相联系的，动能不断向高波数部分转换，最终为湍流和分子粘性所消耗掉。而准二维运动，如准地转运动，则没有这种特性。总之，在实际大气中存在着的、经常起作用的一些机制，在（被截断了的）模式大气中并不存在。这就使得在利用某种原始方程模式进行计算时，必须采取一些办法抑制重力波，使得模式大气的状态经常处于准地转平衡状态，特别当从外界接受到新的观测资料时更是如此。

另外，在预报方程中非线性项的存在是一个很重要的问题。数值天气预报永远不可能完全准确，一方面由于观测误差总是存在的。使得初始状态的确定不够准确。另一方面，由于外力误差源，例如对于地形摩擦、海洋加热、太阳辐射等等作用，在数值模式和真实大气之间，总是存在着差异。除此两者之外，还有内部误差源的增长机制，它是与方程中的非线性项、大气内在的不稳定性相联系着的。纵使存在着一个完全理想的预报模式，初始条件和外力条件也完全精确，没有一点误差。由于非线性项，一些未被考虑的运动尺度，不可避免地会引起一些误差。这些误差又逐步影响到较大一些的运动尺度，最终使各种尺度的运动都受到干扰，而使预相宣告失败。这种非线性项误差的增长过程，也表现为快波振幅的增长。虽然可以采取一些措施（例如加强平滑等），抑制其增长，但其结果可能与实况相差太远，而失去了预报的意义。这种由于方程中非线性项的存在，而使误差不断增长的现象，是近些年来在大气可预报性方面研究的主要对象。

随着计算数学的进展以及数值预报工作的实践，通过设计合适的差分格式保持微分方程组的物理性质，例如涡度守恒、能量守恒等，也使由于计算方面引起的快波虚假增长得到一定的克服，这也是滤掉快波的另一种形式。目前原始方程模式在业务预报中得到广泛使用，使数值预报的准确率得到显著提高。

总之，在这里直接积分原始方程时，虽然方程中包含有快波，但可以通过选择初值滤去初始时刻的快波，对于以后产生的快波，不断进行抑制，这样一来，同样可以消除“气象噪音”的干扰。所以原始方程模式中，快波仍然是被看作只是一种最好要尽量“滤掉”的障碍物。

应该指出，对这个问题存在着不同的看法。有人认为原始方程模式的改进就在于方程中存在着快波，考虑了快波的存在对大尺度演变的影响。这种影响是实际存在的。持这种观点的人认为，虽然大尺度的大气过程基本上是处于地转平衡状态，但这种平衡是在不断破坏、不断建立中的平衡。大气中存在着风场和气压场调整变化以建立地转平衡的适应过程，同时又存在着在地转平衡下沿着某一比较确定的方向的发展过程，而发展过程正是通过地转平衡的破坏来实现的。地转关系一旦破坏之后，就激发出快波来，使风场和气压场重趋于适应关系。地转模式和平衡模式滤去了快波，则等于假定风场和气压场的适应速度是无劳大，这样就略去了在适应过程中风场和气压场所发生的变化。实际上，适应过程虽快，但也需要一段时间来完成。在这段时间里气压场和风场均有一定变化，不考虑适应过程的过渡模式，未能正确地反映大尺度运动的这种特点。要考虑快波的存在对大尺度运动的作用，就必须直接积分原始方程。原始方程既然描写了地转关系的不断破坏和重建过程，在计算时就应把这样的过程表示出来，即在计算出适应过程的同时得到演变的预报。这种说法当然是有理由的。应该说，现在的原始方程模式还未能充分做到这一点，它往往把初始场处理成已经适应的，并且在计算过程中还需要不断平滑处理。然而原始方程模式确实为预报带来了明显的改进、其真实的物理机制还有待进一步探讨。

六、探索新途径

由于考虑物理因素的不断增多，数值解法的日益精确，数值预报模式已数以百计。芬兰受世界气象组织委托，对一些国家在1979～1980两年所做的数值预报结果进行了评比。结果，处于领先地位的是欧洲中期天气预报中心发布的预报。

这个中心是1973年由欧洲经济共同体的18个国家联合组成的，用的是一个原始方程模式，预报区域扩展到全球，垂直方向取了15层。模式中考虑了云、水汽、二氧化碳和臭氧辐射的吸收，还考虑了辐射的散射，凝结降水的热量释放，以及海气之间的热量、动量和水汽交换。不过海洋表面温度取的是已知的气候值。还考虑了地形的作用、摩擦的影响等。这是现在业务模式中考虑得最精细的模式预报。这个模式的预报也还存在一些问题：超长波有系统性误差，热带地区效果较差，赤道地区预报的降水常常比实况少，预报的急流位置偏南，高纬度西风槽移速偏慢，入海气旋偏强，青藏高原上空及其下游的短波槽脊报不好，等等。

模式和实际不可能完全一致，误差总是会有的，只是大小之分罢了。缩小误差使模式更加逼真于实际大气的工作是永无止境的。

目前，数值预报报出的只是大气的大尺度面貌，还不是各地的天气情况，它仅仅是提供了预报各地天气的背景。在上述数值预报工作的基础上，为了提高天气预报的准确率，人们还进行了其他途径的探讨，经过多年的努力，终于统计方法有了较大的突破。