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公历农历对照

中尺度模式

数值天气预报是需要利用高速电脑运算的一种天气预报技巧,透过数值模式内的方程式模拟反映大气状态的各项气象要素之演变。数值模式考虑到的气象要素包括温度、风力、气压及水气等资料。

模式内的大气三维空间被分割成为排列整齐的网格点阵,而各网格点上气象变数的数值则代表了当时大气的状况。网格点数量愈多,模式分辨率愈高,愈能够细致地勾画出未来的大气状况,但同时电脑运算量亦会大幅增加。

模式方程组及描述物理过程的方案都包含了近似和假设的成份。要求解模式方程组,首先要集合最新资料把初始状况正确地建立起来。在业务运作上,大气初始状况的分析是利用最新气象观测资料订正先前的模式预报,再进行新一轮的预报运算。

香港天文台的「非流体静力模式」以2公里水平分辨率的内框及10公里水平分辨率的外框运行,即涵盖中尺度天气系统的低端尺度范围。(注:中尺度天气系统指水平尺度达数公里至数百公里的天气系统。例子包括有雷暴、海、陆风、冷锋及热带气旋的雨带等。)为了方便理解和供作其他应用,模式运算结果会透过图像显示出来。

电脑资源

与八零年代后期相比,当年受制于计算机所能提供的运算速度及记忆容量,天文台运行的数值模式只能够把有限区域的大气层切割成100公里乘100公里的方格(图1)进行计算,而每天亦只可以运算一次。1999年,模式分辨率提升至20公里乘20公里,提供每3小时更新一次的预测(图2)。随着电脑的运算能力增加至每秒达1万亿次浮点运算的水平,运行一套分辨率为2公里乘2公里的数值天气预报模式变得可行。

图 1 图 1 - 数值天气预报系统使用100公里乘100公里方格 (1989)
图 2 图 2 - 高分辨率数值天气预报系统使用20公里乘20公里方格 (1999)
图 3 图 3 - 2公里乘2公里方格的非流体静力模式描绘香港及附近地区的地形 (2010)

自2010年起,香港天文台利用一部名为「数值天气预报运算平台」的高速电脑丛集以运行非流体静力模式(图4)。

图 4 图 4 – 香港天文台「数值天气预报运算平台」

预报应用

非流体静力模式可提供更适时和详尽的客观资料以编制天气预报和发出及时的恶劣天气警报。10公里外模式每日运算8次,输出未来72小时的天气预报;而2公里内模式则每小时运算1次,输出未来15小时的天气预报。内、外模式的预报产品分别从模式起始运算1及3小时后逐步制作完成并提供予预报员参考。从模式抽取出的预报资料会经过整理以最适当的方式显示出来,例如包括香港的地面风、气温、湿度、云量及累积雨量的时间序列预报图(图5)。其他预报产品尚有区域气温预测、自动分区天气预报及台风登陆时的风力分布情况(图6)等等。在大雨及雷暴短期预报方面,透过非流体静力模式和临近预报系统预警信息的结合,业务运作所需的重要天气资料便可以并列显示。

图 5 图 5 - 10公里非流体静力模式输出的预报时间序列,包括地面风、气温、湿度、云量及逐小时累积雨量
图 6 图 6 - 10公里非流体静力模式预测台风灿都在2010年7月于广东西部登陆时的风力分布情况

展望

数值天气预报其实亦有一定的局限。观测资料存在一定程度的误差,其精密度往往亦不足以反映实况。此问题于海洋上尤甚。如果输入模式的资料有些微差异,计算结果便可能出现极大分别。

由于水平分辨率获得提升并且运用了更精密的物理描述方案,非流体静力模式对于中尺度的系统如雷暴能有更完整的描述。可是,要准确预测暴雨或其他恶劣天气出现的地点、时间及强度仍须依靠更多的观测资料以进一步改善模式的初始场。为此,天文台正进行研发以求更广泛地应用遥感观测资料,例如卫星及天气雷达的数据。