数值天气预报的创新之路———从初值问题到反问题-气象学报.PDF

第 卷第 期 气 象 学 报 ， ６５ ５ Ｖｏｌ．６５ Ｎｏ．５ 　 　 　 年 月　　　　　　 　　　　　　 　 　 　 　 　　　　　　　 ２００７ １０ ＡＣＴＡＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｏｃｔｏｂｅｒ２００７ 　 数值天气预报的创新之路———从初值问题到反问题 丑纪范 兰州大学大气科学学院，兰州， ７３００００ 摘 要 　　 基于大气并非是一个确定论的系统，从信息论的视角考察了数值天气预报问题。认为表征初值和边值的数据 　　 可以视为输入信息（信息源），而数值模式则不过是一个信息变换机构，它把输入信息变换成预报结论而输出来，输 出的预报结论则是未来天气状况的信息。于是预报的准确性受制于：一是输入信息所包含的输出信息的信息量， 另一是信息在变换过程中丢失的信息量。从初值的形成过程揭示出了当前观测系统在一个时刻提供的数据没有 包含初值所要求的全部信息，而缺失的部分或多或少的隐藏在过去的观测数据中。提为初值问题意味着只依据一 个时刻的状态导致输入的信息量缺失，应考虑过去的历史数据以增加输入数据中所包含的预报量的信息。文中指 出由于输出信息比输入还多的数值模式是不存在的，这样的改进带有根本性。进一步论证了数值模式的误差信 息，也或多或少的隐藏在过去的历史数据中，为了充分使用过去的观测数据，本文建议改变问题的提法，不提成初 值问题，提成反问题。资料同化本质上是反问题，其欠定性不应人为夸大。提成反问题的数值天气预报能充分应 用过去的历史资料，将天气方法、统计方法、动力方法有机地结合在一起。对于这个反问题如何具体求解方面，在 分析了业务和研究的区别，模式的普适性和针对性的统一的基础上，给出了反问题的具体解决途径。强调无需构 建新模式（这是非常困难的工作），只需运行现成的模式，借助所关心的预报对象的历史数据来改造现成模式，因而 是完全可行的。 关键词：数值天气预报，反问题，信息论。 呢？难道我们就不能比外国做得更好？他说：“大家 １ 引 言 　 　 研究气象，我们怎样比前人，比外国一定研究得好？” 数值天气预报的研究和业务工作，在中国开展 “总之要有一些新东西。不然，方法、观点、材料、工 不算晚。目前，虽然已建立起了比较完整的数值预 具，无一不是与人家一样，那么一定不会比人家更 报业务体系，但是业务预报的准确率与国外先进水 好。对国外来说，由于人家工业基础好一些，器材仪 平还存在较大的差距，近 年差距是在扩大而不是 器等物质条件一般说来也要好些，结果，我们还可能 １０ 缩小。对于导致落后的原因，仁者见仁，智者见智。 搞不过人家。愈搞愈落后，愈赶差距愈大。这不是 ［］ 由此提出了种种解决方案。这些方案尽管着眼点不 笑话，而是十分可能的。”１ 同，从科技的角度看，似乎都是遵循国际上的发展趋 重要的是比外国