天氣預報的數值方法

根據大氣實際情況，在一定初值和邊值條件下，通過數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，預報未來天氣的方法。和一般用天氣學方法、並結合經驗製作出來的天氣預報不同，這種預報是定量和客觀的預報。預報所用或所根據的方程組和大氣動力學中所用的方程組相同，即由連續方程、熱力學方程、水汽方程、狀態方程和3個運動方程(見大氣動力方程)所構成的方程組。方程組中，含有7個預報量（速度沿x，y，z三個方向的分量u,v,w和溫度T,氣壓p，空氣密度ρ以及比濕q）和7個預報方程。方程組中的粘性力F,非絕熱加熱量Q和水汽量S,一般都當作時間、空間和這7個預報量的函數，這樣，預報量的數目和方程的數目相同，因而方程組是閉合的。

早在20世紀初期，英國科學家L.F.理查孫首先進行了數值天氣預報的嘗試。1922年，他在《天氣預報的數值方法》一書中，論述了數值預報的原理和可能性，並且應用完全的原始方程組，對歐洲地區的地面氣壓場進行了6小時的預報。但其結果很不理想：他預報該地區的氣壓在6小時中的變化為154毫巴(百帕)，而實際氣壓幾乎沒有變化。當時理查孫將這次失敗歸之於所取的初值不準確，他的失敗曾使人們一度懷疑數值天氣預報的實際可能性。直到第二次世界大戰結束之後，由於電子計算機的出現，氣象觀測網、特別是高空觀測的發展，氣象資料有了很大的改善，數值天氣預報又引起了人們的注意。特別是人們認識到理查孫的失敗，主要在於他所用的方程組的解，不僅包含了長波等慢過程，還包含了高速傳播的聲波和重力波。這些高速波的實際振幅都很小，但在計算過程中常被擴大，以致掩蓋了氣象上有意義的擾動。1948年，在等人工作的基礎上，提出了濾波理論，證明了採用靜力平衡和地轉平衡近似（見），可以消除重力波和聲波。這樣建立的簡化方程組，避免了聲波和重力波的影響。1950年，查尼、R.菲約托夫特和J.von諾伊曼用准地轉正壓模式，在電子計算機上首次成功地對北美地區500百帕高度的氣壓場，作了24小時的預報。