气象业务与天气预告等--新疆气象手册（8）第1篇2章2-3节

20191214 

（遗憾，两个框图没有复制成功）

2．12 中国气象卫星的发展

2．12．1 极轨气象卫星

1988年9月7日风云一号第一颗（FY–1–A）试验星在太原卫星发射中心被成功地送入太空，揭开了中国从空间探测地球大气的第一页。该星正常运行39d，其寿命未达到设计要求。1990年9月3日FY–1–B星入轨，正常运行165d后，姿态失控，其寿命仍未达到设计要求。1999年5月10发射了FY–1–C星，由于采用多项技术措施，产品质量、空间环境影响的适应性和系统的可靠性都有提高，特别是扫描辐射仪具有相当高的技术水平，每天不间断地播发观测的高分辨率图像，并被世界气象组织列入业务应用的极轨气象卫星行列。

中国政府已制定出发展极轨业务气象卫星的计划和规划，现已全面启动。计划在2005年后发射升空的风云三号卫星将是第二代极轨业务气象卫星系列的第一颗星，其性能和水平将全面地大幅度地提高。

2．12．2 地球静止气象卫星

由中国研制、发射、运行和管理的地球静止气象卫星，命名为风云二号（FY–2）气象卫星系列。1986年国务院正式批准风云二号气象卫星的研制任务。风云二号的第一颗试验气象卫星原计划于1994年上半年发射，同年2月因卫星在发射场技术厂房出现重大事故而取消其发射，后经改进、试验并取得成功后，于1997年6月10日在西昌卫星发射中心用长征三号运载、火箭将第二颗风云二号试验气象卫星送入地球同步轨道。卫星正常运行10个月后，因天线出现故障导致卫星不能连续工作，而只能处于间断工作状态。2000年6月25日第三颗风云二号试验气象卫星发射升空，成为在轨运行的风云二号系列的第二颗星，在完成在轨测试任务后，卫星于2001年1月1日投入准业务运行。2004年11月，风云二号气象卫星系列02批卫星的第一颗星发射成功，其性能和水平已接近国际先进水平。

中国正在酝酿新一代静止气象卫星系列（将命名为风云四号）的技术状态，并计划在2010年之后试验应用。

3 气象业务和天气预报

3．1 气象业务的建立、发展概述

随着温度表、气压表、湿度表等气象观测仪器的纷纷发明，各地的地面气象观测站和气象台相继建立。这形成了地面气象观测网，并因无线电技术的发明，促进了气象通讯和高空气象探测的发展，气象台先后绘制地面天气图和不同高度的高空天气图以制作天气预报。

随着计算机和大气遥感技术（见第---彩页---图）的发展，天气分析和预报工作有了长足的进展。天气图从人工填绘已发展到全面自动化；计算工具从最简单的算盘、手摇计算机和台式计算机已发展到巨型计算机；被称之为高新技术的信息技术如雷达、激光、遥感、网络及各种类型的人造卫星的广泛应用，促进了气象业务现代化和气象科学的发展。

3．2 气象台站网

气象站是进行气象观测的基层专业气象机构。中国绝大多数气象站还要开展本站所隶属的县级行政区域天气预报、预警和短期气候预测业务、服务。气象台是进行气象观测、资料整编，发布规定行政区域天气预报、预警和气候预测业务、服务的专业气象机构。因此，中国的气象台和气象站在主要功能上没有本质的差异。

3．3 大气探测网

目前全世界一天观测四次（世界时00h、06h、12h、18h）及以上（最多一天观测八次，另增世界时03h、09h、15h、21h）的地面天气观测站（称为基本气象站）约有8000个左右，观测的项目有气压、温度、湿度、风向、风速、云、日照、蒸发、能见度、地温、降水等99种气象要素和天气现象。一天观测两次（世界时00h、12h）的高空探测站约700个左右，观测的项目有气压、高度、温度、湿度、风向、风速。为了弥补海上测站的空缺，一些发达国家在海上设置了浮标站、在商用船上和大型商用飞机上也都安装有气象观测仪器进行气象观测。显然，这样的天气观测时空密度是难于满足气象业务需求的。因此，从20世纪80年代开始，一些国家和地区还安装了自动气象站和风廓线网。

20世纪40年代中叶起，雷达在气象部门得到广泛应用，起先是通过天气雷达回波的强度和移动方向去监测暴雨、台风和强对流天气等。20世纪80年代后，多普勒天气雷达投入业务应用之后，又可以获取风场等信息，极大地拓宽了天气雷达的应用领域。此外，气象卫星在大气探测中的地位和作用越来越显著，除了可以获取可见光、红外、水汽云图之外，还可以获得许多定量的信息。

中华人民共和国成立后，彻底改变了过去气象站点稀少的落后局面，已建成地面气象观测站2500多个，其中国家基本气象站570个、国家基准气候站143个、国家一般气象站（亦称气候站）1800多个，还有自动气象站几百个，高空探测站120个，基本天气雷达站55个，局地监测天气雷达站168个，以及遍布全国的气象卫星接收站，共同组成大气探测立体网。中国已成为全球高空、地面观测站网密度最高、质量较高的三个地区之一。

3．4 气象信息传输网

据1980年的统计，纳入全球气象观测系统的有9218个地面站、835个高空站、9个定点海洋站、5颗静止气象卫星、2颗极轨卫星和数以千计的自愿承担地面观测的船舶以及一些可以提供航线气象观测报告的班机等。这样多的气象观测资料，如何能快速地收集上来和分发给各国气象部门使用是世界气象组织一项极为重要的任务。

为此，建立了全球电信系统，它是世界天气监测网的三个主要组成之一。其主要功能是：迅速、可靠、有效地收集、交换、分发气象观测资料和加工产品，以满足世界气象组织各会员国气象业务部门以及世界气象中心、区域气象中心的需要。全球电信系统由三级网络组成：主干气象电信网（包括支线）、区域气象电信网和国家气象电信网。目前共有12段主干线及5条支线，它们组成的闭合电路，环绕南、北半球把11个区域电信枢纽和3个世界气象中心连接在一起。华盛顿、莫斯科和墨尔本三个世界气象中心和布拉克内尔、新德里、巴黎、奥芬巴赫、布拉格、东京和北京七个区域电信枢纽，已完全实现自动化，提高了气象信息传递的精度和速度。

中国国家气象中心是全球电信系统亚洲区的区域电信枢纽之一，已于1977年和1980年开通了北京–东京和北京–奥芬巴赫电路，使亚洲和欧洲的区域气象中心及区域电信枢纽连接起来，并与全球气象电信系统主干线路连通。北京区域电信枢纽2小时内可以获取全球实时气象信息，30分钟内可收集到全国实时气象信息，5～8分钟内收集到北京地区实时气象信息。

3．5 天气预报概述

天气预报是气象为国民经济和国防建设服务的重要手段，也是社会公众离不开的信息支撑。自古以来就有天气预报，大致经历了四个发展阶段。

3．5．1 观象测天阶段。

从远古至16世纪，人们在用肉眼和原始的观测仪器观测天象、物象的长期实践中，积累了不少经验，并编成天气谚语。例如，中国唐代黄子发的“相雨书”，元末明初出现的娄元礼编的《田家五行》和明末徐光啓编写的《农政全书•占候》都是总结群众观测和预报天气的著作。又如古埃及人根据土星从地平线升起而预报尼罗河水泛滥等。

3．5．2 单站预报阶段。

随着气象仪器纷纷发明，气象观测进入器测阶段。1650年德国古厄列克（Guericke）根据单站地面观测资料开创了单站天气预报。以后随着气象台站网的建立和气象理论的发展，形成了一系列根据当地气象资料演变规律预测未来天气的单站预报方法。中国更以单站预报方法为主，继承、吸收观象测天方法和天气图预报方法中大气环流、天气系统、天气形势等基本概念，形成县站补充预报方法。

3．5．3 天气图预报阶段。

自1820年世界上第一张天气图诞生以来，1851年英国格莱谢尔（J.Glaisher）在英国博览会开幕时，利用电报绘制每日天气图，并以石印方式印制出来，正式天气图才问世。1855年法国莱伐尔（Le Verrier）用天气图追溯克里米亚战争时出现的风暴，并建议政府开展风暴警报工作，第一次把天气图分析用于制作天气预报。而后随着“风压定律”、“气团锋面学说”、“高低气压结构论”、大气运动尺度概念、大气环流和大气长波理论等一系列理论的提出，使天气图预报方法由浅入深、由低层次发展到高层次，并在实际气象业务中发挥了很大作用。但这种方法在很大程度上依赖于天气预报员的经验，特别是在要素预报上，经验更是起着举足轻重的作用，因此人们常把天气图预报方法称为“半理论半经验方法”甚至称为“主观预报方法”。

3．5．4 数值天气预报阶段。

1946年世界上出现了第一台电子计算机，但直到1950年，美国恰尼（J.G.Charney）等人才利用小型ENIAC电子计算机（每秒几十次），成功地计算出世界上第一张北美地区的500hPa的36小时数值预报图（高度场预报值与实况值相关系数0.75）。随着电子计算机性能的迅速提高，加速了数值天气预报的发展。1966年原始方程数值天气预报模式的建立，使数值天气预报准确率大为提高。1975年欧洲中期天气预报中心的成立，标志着中期数值天气预报工作已正式运作。目前，已有包括中国在内的许多国家的气象部门确认了数值天气预报的基础和主导地位。

由此可见，天气预报技术最初是随着无线电技术的发明和应用（电报、高空探测）而迅速发展起来的。直到20世纪50年代初，天气预报一直主要是以天气学原理为基础的。随着计算技术及探测技术的发展，除常规天气图方法结合以“概率论与数理统计”为基础的统计预报方法制作预报外，又将气象雷达和卫星探测资料用于预报业务，同时发展了天气动力学理论与计算技术（方法）相结合的数值天气预报。

天气预报的时效、发布范围和服务对象因时因地而异。按服务对象而分，有公共天气预报和专业天气预报。电视台、电台和报纸发布的天气预报以及为领导决策提供的专门天气预报都是属于公共天气预报。根据产业部门的特点和需要专业制作的天气预报称为专业天气预报，例如农业气象预报、航空气象预报、旅游气象预报和医疗气象预报等等。按预报范围而分，有区域天气预报和本地天气预报。按预报时效的长短而分，有中期（4～10d）、短期（≤3d）、甚短期（3～12h）和临近（0～3h）预报。按对社会生产、生活和安全可能影响的严重和紧迫程度，有时将发布天气警报，甚至是天气紧急警报。

3．6 数值天气预报方法的由来

由于天气图预报方法存在不客观不定量的缺陷，人们自然地希望把天气预报问题化为数学问题。法国列维利耶最早提出一个大胆设想，如果对于在自转地球上的大气写出支配其运动的方程，那么，人们就可以通过求解这些方程组，把天气预报准确地做出来。1904年挪威的维•比扬克尼斯则把天气预报作为一个数学物理问题规定为：根据某一时刻实测到的某些大气状态和运动，通过描述大气运动规律的微分方程组，来计算未来某一时刻的相应大气状态和运动。

在绝热、无摩擦的假定下，对于随地球一起旋转的相对局地直角坐标系，大气中各种运动都服从由东西方向、南北方向、垂直方向的运动方程以及连续方程、理想气体状态和热流量方程组成的非线性偏微分方程组（参见第1章第9节）。方程组的6个方程共有6个未知数：u（东西向风速）；v（南北向风速）；w（垂直速度）；p（气压）；T（绝对温度）；ρ（密度）。方程组是闭合的。对于饱和湿空气或涉及水汽相变问题，须增加水分守恒方程，同时增加了比湿q这个未知数，方程组仍然是闭合的。因此，原则上说，当使用已知气象资料，给定边界条件和初始条件，求解该方程组可以确定大气运动所有的未来状态。但是，在数学上求解这套非线性偏微分方程组是极为困难的，直到1922年英国里查逊提出用差分方法来近似求解这个方程组，并进行了实践，结果是伦敦地面3h变压的预报值与实况值相差近70hpa，这个试验是失败了。

1939年罗斯贝提出了著名的“长波理论”，从而发现里查逊失败的根本原因就是“容忍”了“气象噪音”（声波、重力波）的干扰，因此必须“滤波”，过滤掉声波、重力波的干扰。1950年恰尼等人利用问世不久的电子计算机，依据长波理论，用差分方法进行计算，试验取得成功，从而宣告数值天气预报方法诞生。1954～1955年在瑞典首先用恰尼等人的准地转一层模式做500hPa位势场24h、48h、72h业务预报，结果表明，数值预报方法比天气图方法好得多。

3．7 数值预报模式的构成和分类

在数值预报中扮演主角的是模式。简单地说，模式就是进行天气预报的数学计算方法。它包括三要素：一是描述大气运动规律方程组，即根据不同的滤波方案、不同的预报对象和提高预报精度的要求，构成不同形式的预报方程；二是求解方程的定解条件；三是求解方程的数学方法。

对于数值预报模式的分类方法很多，一是按预报对象划分，如分为形势场、要素（温度、降水等）、天气系统（台风等）预报模式；二是按求解方法划分，如差分、样条、谱模式等；三是按水平网格划分，如分为粗网格、细网格模式；四是按空间层次划分，如一层、三层、五层、十层、十六层模式等等；五是按预报方程划分，有准地转、平衡、原始方程模式三大类。最基本和最常用的是第五种分类方法，或是第四、五种结合的分类方法。

具体可以表现为：

3．8 数值预报的水平和问题

经过半个世纪的发展，数值天气预报的科学基础与技术方法已经有长足进步，短、中期的天气形势预报准确率显著提高，其中短期预报已经达到“比较满意”的程度，在“可信”的前提下，对外公开发布的中期预报时效逐步延长，从4d、5d、6d直到7d以上。当前，数值天气预报已经成为解决天气预报问题的最主要的科学途径，并在极端天气事件的预报方面显示了其他以经验为基础的方法所不具备的独特优势。数值天气预报模式所衍生出来的数值模拟与数值试验，已成为气象科学若干分支学科理论研究的强有力的工具和方法。

（数值）天气预报中所包括的真实气象信息会随着预告时间的延长而迅速减少，预报时效超过10d，就不准确了，其中的降水以及中、小尺度天气系统预报就时效更短。造成这种局面的原因主要是已经知道的气象规律依然不够多、对世界各地的气象现状（数值天气预报的初始资料）的了解不够精确、计算机的能力有限；另外未来的气象状况是否完全由目前的全球气象情况完全确定的因果规律是否有一定的限度？这依然不能从理论肯定。

3．9 天气预报发展的科学问题与关键技术

天气预报的实质是对大气环流、不同尺度的天气系统以及天气现象综合演变规律的认识、掌握和应用。从科学研究的角度，需要研究的问题有：

⑴ 大气环流，特别是东亚季风环流爆发、稳定、中断的规律和机理，及其与中国天气变化的关系；

⑵ 西太平洋副热带高压和南亚高压的季节性进退、持续性异常和中短期变化的规律和机理；

⑶ 中高纬度大型天气系统，特别是“北大西洋–东亚”阻塞高压的形成、崩溃和中短期变化的规律和机理；

⑷ 热带气旋的结构、强度和路径突变机理，及其大风和暴雨的预报方法；

⑸ 欧亚大气环流的各个天气系统之间的相互作用，以及海洋、陆面过程对大气环流的影响和大气的反馈作用等；

⑹ 与台风、温带气旋、梅雨锋等天气系统相关的中尺度过程；

⑺ 中尺度强对流过程与强降水系统；

⑻ 地形、边界层和陆面过程对中尺度系统的影响；

⑼ 定量降水预报理论与技术。

为了提高数值预报水平，需要研究各种气象情报的统一应用（四维同化）的理论与方法，适用于精细数值天气预报的计算方法、数值模式中的物理、化学过程、大气模式与其它圈层模式的耦合等，并将不同尺度的模式当作气候系统模式的一个有机组成部分，注重数值天气预报系统的集约发展与持续发展。

近20年来，一种新的天气预报方法–集合预报得到迅速发展，它将数值天气预报从确定性预报向与概率预报相结合转变，这提高了天气预报的使用价值和时效。集合预报的应用将是天气预报研究的一个重点。

3．10 集合预报

3．10．1 集合预报概述

集合预报是国际上20世纪90年代初投入使用的新数值天气预报业务，理论基础是蒙特卡罗统计试验法。进入20世纪90年代，随着大规模并行计算机的发展及气象技术的进步，1992年12月欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）首先在业务上投入运行。

集合预报的方法是把数个由少许不同的初值计算得到的数值预报加以平均，作为预报。其基本思想是，通过平均，减少由上述的误差源产生的各自决定论的预报误差部分，而保留有意义的情报（信息），从而使预报的均方根误差与各自预报的均方根误差相等或更小。传统的数值预报是将观测值作为初值，求解大气动力学方程，就可以客观、定量地做出天气预报。但大气探测的误差是非常大的。地球表面71％是海洋，在广阔的洋面上几乎没有观测站；在29％的陆地上，高原和沙漠以及南极洲上也几乎没有观测站。所以数值预报用的初值是非常不准确的。

集合预报突破了这一传统观念，认为大气的初值是不确定的，在初始场上加少则几种、多则几百种各种小扰动，使得初始场成为某种概率密度函数。所以集合预报被认为开创了数值预报的新纪元。

一个好的数值预报系统应是具备高质量观测资料、好的同化系统、好的预报模式、强大的计算机、好的集合预报系统。基于一个好的预报模式和好的扰动初值基础上的集合预报系统，由于其对天气预报的连续性、对可能发生的天气事件的包容性以及对突发性天气事件的预报能力，使其成为数值预报的一个重要发展方向。

3．10．2 集合预报发展趋势

⑴ 集合预报领域正在拓宽。随着计算机技术的发展，集合预报的对象已不仅仅限于中期预报，正向长期、短期、台风、降雨、气候等预报领域拓宽，以期适当消除因观测、分析以及大气固有的混沌引起的初始场的不稳定性，提高各种预报的准确率。

⑵ 多模式集合预报。所谓多模式集合预报是指用多个模式和分析值构成集合预报，也可以使用多个数值预报中心的预报结果进行。利用这种方法可以通过弥补初始场的不确切性、模式的不完善性，获得更佳的预报效果。这方面已有许多成功的个例，如Krishnamulti等（1999年）集中数个数值预报中心的预报。获得了更佳的预报成绩。再如，Palmer等（2000年）在季节预报方面进行多模式集合预报实验，也提高了预报的准确率。许多实验结果表明，采用多模式集合预报方法是在现行模式、现行计算机资源条件下，获得最佳预报效果的有效方法。

⑶ 集合预报将进入高分辨率模式，多成员时代。集合预报的下一步是进入利用高分辨率、多集合成员的时代。如预计ECMWF2008年中期天气集合预报模式水平分辨率达30km，月季节集合预报模式水平分辨率达60km。集合成员将超过100个。计算机的峰值速度将由目前的0.4×10¹²次／秒增加到20×10¹²次／秒。

（崔彩霞）

3．11 现代气象业务技术体系的设计

基于现代气象概念的界定，依据系统科学理论与方法以及系统工程技术，设计出的现代气象业务技术体系如下图所示：

现代气象业务技术体系由5个层次、10个系统组成。其中，第一层次两个监测系统是该体系的基础，也是现在气象科技最为薄弱的环节，必须切实加强。首先要实现气象监测信息资源整合，优化资源配置，构建科学合理的信息共享平台。其次是要建成现代化的以极轨和静止气象卫星为观测平台的天基遥感探测子系统；空基气象探测子系统；地基高空大气探测子系统；地面气象监测子系统；特种气象探测子系统；气候系统监测网络等。

第四层次的天气、气候预测系统是技术体系的核心。要建成气象灾害及其次生、衍生灾害准确、及时的定时、定量、定点的预报、预警系统；建成气候极端事件和气候变化先进的预测、预估系统，能为各级政府气象防灾减灾决策提供科学依据和咨询意见。要能实现这个目标，一是要优化计算机资源配置，加快高性能计算机及网络系统的配置与开发；二是要培养、造就一大批高素质的创新人才。

对于第二、三、五层次各个系统的建设要求是：在现已构建的框架基础上充实、完善，要更新、更高、更强、更优，以满足日益增长的客观需求。