第七章 芝加哥学派与当代气象发展 The (University of) Chicago School 1940’s, 1950’s - Present

三件大事 罗斯贝对大气动力学基本原理阐述（如位势涡度概念） 1945年之后的高速电子计算机的发展数值天气预报 雷达卫星探测

罗斯贝和大气长波理论 1939年 罗斯比提出长波理论。 1951年 帕尔门指出了长波的结构和变化。 A portrait of Rossby by artist Boris Artzybasheff, from the cover of Time magazine, December 17, 1956.

罗斯贝和大气长波理论

数值天气预报 数值模式对现代气象事业的推动作用 宇如聪 中国气象局

数值天气预报 大气并没有向我们展现出类似潮汐变化那种类型的周期性，因此我们无法采用像潮汐预报那样的方法来预报天气。我们没有发现大气在某一特定时刻的状态与另一时刻的状态之间存在一系列简单的因果关系。 Charney, 1951, 运用数值方法的动力预报 （1917-1981）数值天气预报的巨匠之一

系统的数值模式正在成为 地球系统科学不可替代的虚拟实验室 初始状态 数值模式 资料同化 未 来 状 态

一、数值模式的早期发展过程

提出数值模式的概念 一个世纪以前，1904年，挪威的流体动力学者Vilhelm Bjerknes 首先提出了一个大胆的建议：天气的演变可以在细致分析掌握大气的初始状态后，通过积分一组完备的流体动力学和热力学方程组来完成。为了解决理论和实践上的欠缺，他还专门成立了著名的卑尔根学派“Bergen School”。 Vilhelm Bjerknes (1862-1951)

提出了数值积分的思想 1922年，英国的数学和物理学家Lewis Fry Richardson明确提出了应利用数值方法对运动方程进行积分，并指出了实施的方法。尽管由于受当时观测能力和计算能力的影响，没有作出成功的预报，但他的工作价值是无法估量的。

第一次成功的数值预报开始 1948年，Jule Charney建立了一个简化的准地转的数值预报模式。 1949年， Jule Charney和von Neuman 等（1950）利用正压（一层）滤波模式计算出了历史上第一个1天的天气预报。

早期的业务数值预报 1954瑞典 1958美国 1959日本 1962年美国建立了第一个业务的斜压准地转模式，英国在1965紧跟其后。 1966年第一个全球原始方程模式在美国国家气象中心运行 70年代就出现了多个全球的、半球的和区域的各式各样的原始方程模式了。70年代中期大气环流模式已可用于长时间积分进行气候模拟。 中国第一个短期数值预报系统（B模式）于1982年2月16日正式投入业务使用。

1975年欧洲科学技术合作计划开始，其中为加强数值天气预报很快成立了ECMWF。第一个实时中期预报于1979年6月完成，1979年8月1日开始业务中期天气预报，标志着数值天气预报走向成熟。数值模式的先驱们经过了约70年赋有挑战性的创新工作，奠定了现代数值模式发展的基础。

二、中国数值模式的发展和存在问题

国内早期的数值模式发展 50年代后期：准地转模式（ 顾震潮等） 60年代初期：斜压原始方程模式 三层模式（曾庆存等） 二层模式（陈雄山等） 70年代中期：五层暴雨模式（周晓平等） 分辨率：50公里 70年代后期：三层模式（朱抱真等） B模式 斜压原始方程、完整物理过程

不完全！ 国内80-90年代的数值模式发展 中期数值预报模式（ 纪立人等） 2层全球格点模式（曾庆存、梁信忠等） 4层海洋环流模式（张学洪等） HLAFS 模式（张玉玲等） p-混合坐标模式（钱永甫等） YH模式（颜宏等） TL系列模式（薛纪善等） REM -坐标（宇如聪等） 海气耦合模式（曾庆存、张学洪等） 短期气候预测动力模式系统（BCC，IAP等） 耦合气候系统模式（IAP等）  不完全！

近期受到国家级项目资助的数值模式 模块化耦合气候系统模式（IAP，BCC等） REMAREM（LASG/IAP，CAMS等） GRAPES模式系统（CAMS等） GRAPES模式系统发展计划是国家投资最大，组织管理最正规，最受瞩目和关注的国家级模式发展计划。GRAPES必须要能真正具有当代模式科技水平，必须要持续稳定有序地发展下去，对我国气象事业的科研和业务持续发展给予强有力的支撑。

国家气象中心业务数值预报的发展 OI 20- 层 27KM HLAFS 2003.3 OI 31- 层 60KM T213L31 1982年2月16日：短期数值预报系统（B模式）正式投入业务使用 1991年6月15日：中期数值预报系统（T42）正式投入业务使用  OI  20- 层 27KM HLAFS 2003.3 IBM-SP OI 31- 层  60KM T213L31 2002.9 55KM 1998.4 19- 层 120KM T106L19 1997.6  15- 层 110KM 1995.5  CRAY-C92 16- 层 200KM T63L16 1995.6 CYBER  200KM LAFS 1992.3  CYBER  9- 层  320KM T42L9 1991.6 计算机 分析同化 垂直 分辨率 水平 模式 时间 GRAPES模式系统进入正式业务运行后中国的业务数值预报将进入稳定发展时期

中国数值模式发展的特点 只有数学，没有物理 目的单一，个体经营 没有继承性 “短寿”

近15年或20年里，中国数值预报的发展水平，与国外先进水平的差距是在扩大而不是缩小。主要表现在：（1）业务数值预报的资料同化能力低，初值误差与国外的差距加大；（2）对模式中物理过程的理解能力差，对中国区域数值模式中的关键物理问题始终未能形成有序的解决思路；（3）缺乏科学的研发思路，缺乏系统的扎实的工作成果；（4）没有形成一支适应现代数值模式发展的研发队伍。

发展理念上的问题 重“动力框架” 轻“物理过程”，重硬轻软。 资料应用于模式的水平低 缺乏对模式发展复杂性和长期性的认识，缺乏合作意识，把模式发展简单地理解为编写程序。 缺乏对模式不确定性的理解，缺乏基本的模式评估和分析，不理解模式评估是模式发展的长期任务。 模式发展没有继承性，喜欢重头来，低级重复， 基本功不足，缺乏精雕细刻的硬功夫。

积云、积雨云形成

3.3 积云的形成 –气团雷暴模型 20世纪40年代拜尔斯（Horace Byers）和布拉哈姆（Roscoe R. Braham Jr.）开始对流云发展过程进行系统研究，根据1946～1947年美国“雷暴计划”(The Thunderstorm Project)在美国南部地区对夏季雷暴云结构和演变过程的观测资料，按照积云发展过程中占主要地位的垂直气流情况，将典型对流单体的发展生命史分为形成、成熟和消散三大阶段。

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Thunderstorm Project Historical Marker

3.3 积云 –The Thunderstorm Project P-61 Squadron during the Ohio Phase of the Project

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Squadron F Pilots of the P-61s

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Sailplane Pilots and Pratt-Read Aircraft Used in the Project

3.3 积云 –The Thunderstorm Project P-61 Landing Incident

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Hail Damaged P-61 Nose Cone

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Glider in a Cumulus Field

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Members of the Soaring Society of America (Glider Pilots)

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Glider over Florida

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Instrument Camera for P-61

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Custom Built Aircraft Recording Equipment

3.3 积云 –The Thunderstorm Project F-15A, a Modified P-61 which was used in the Thunderstorm Project

3.3 积云 –The Thunderstorm Project P-61 Temperature Sensor

3.3 积云 –The Thunderstorm Project P-61 Nose Radar

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Equipment Area on P-61

3.3 积云 –The Thunderstorm Project P-61 Squadron in Flight

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Setting up Surface Observing Station

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Tracking Antenna for SCR-658 Radiosonde

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Checking one of the Anemometers

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Taking Instrument Shelter Readings

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Changing the Trace Charts

3.3 积云 –The Thunderstorm Project SCR-658 Rawin Antenna

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Time-Lapse Cloud Camera Platform

3.3 积云 –The Thunderstorm Project SCR-584 Radar Tracking Van

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Radar Storm Depiction

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Rawinsonde Launch

3.3 积云 –The Thunderstorm Project Ferguson Hall (L) Lt. Col. Lewis Meng (C) Dr. Horace Byers (R)

3.3 积云 –The Thunderstorm Project A Few of the Project Participants

3.3 积云 –The Thunderstorm Project 1946 Project Area in Florida

3.3 积云 –The Thunderstorm Project 1947 Project Area in Ohio

3.3 积云 –The Thunderstorm Project "The Thunderstorm" Title Page of Project Summary

NCAR C-130大气探测飞机

NCAR C-130飞机仪器配置

英国大气探测飞机 http://www.faam.ac.uk/

英国大气探测飞机

云降水粒子的光学测量 Cloud Particle Imager (CPI)

其它 世界气象组织 世界气象研究计划

世界气象日 为纪念世界气象组织成立（1950年3月23日）这一特殊日子，1960年世界气象组织将公约生效日，即3月23日定为“世界气象日”，并从1961年开始，每年气象日围绕一个主题，在全球进行庆祝活动，向各会员政府和公众进行气象宣传教育。 每年的“世界气象日”，世界气象组织执行委员会都要选定一个主题进行宣传，以提高世界各地的公众对自己密切相关的气象问题的重要性的认识。每一个主题都集中反映了人类关注的与气象有关的问题。

世界气象日 1971年 气象与人类环境 1961年 气象 1972年 气象与人类环境 1962年 气象对农业和粮食生产的贡献 1973年 国际气象合作100年 1974年 气象与旅游 1975年 气象与电讯 1976年 天气与粮食 1977年 天气与水 1978年 未来气象与研究 1979年 气象与能源 1980年 人与气候变迁 1961年 气象 1962年 气象对农业和粮食生产的贡献 1962年 交通和气象（特别是气象应用于航空） 1964年 气象——经济发展的因素 1965年 国际气象合作 1966年 世界天气监测网 1967年 天气和水 1968年 气象与农业 1969年 气象服务的经济效益 1970年 气象教育和训练

世界气象日 1981年 世界天气监测网 1982年 空间气象观测 1983年 气象观测员 1984年 气象增加粮食生产 1985年 气象与公众安全 1986年 气候变迁，干旱和沙漠化 1987年 气象——国际合作的典范 1988年 气象与宣传媒介 1989年 气象为航空服务 1990年 气象和水文部门为减少自然灾害服务 1991年 地球大气 1992年 天气和气候为稳定发展服务 1993年 气象与技术转让 1994年 观测天气与气候 1995年 公众与天气服务 1996年 气象与体育服务 1997年 天气与城市水问题 1998年 天气、海洋与人类活动 1999年 天气、气候与健康 2000年 气象服务五十年 2001年 天气、气候和水的志愿者 2002年 降低对天气和气候极端事件的脆弱性 2003年 关注我们未来的气候 2004年 信息时代的天气、气候和水 2005年 天气、气候、水和可持续发展