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香港的天气预报数值模式

 

引言  |  大气数值模式  |  香港天文台的数值天气预报  |  范围及坐标的选择  |  模式初始化  |  物理过程的描述  |  边界条件  | 
ORSM的业务运作  |  中期数值天气预报资料  |  展望将来

 

引言:香港位于东亚大陆南陲,与南海相邻,是亚洲季候风盛行之地,气候受到变化多端的热带及温带系统支配。天气方面,由于香港地势多山,海陆对比强,容易产生复杂的小尺度气流,导致境内各区的天气可以出现显著差异。要掌握大如天气尺度系统、小如区内地形效应等不同尺度气象因素的万千变化,必须依仗合适的预报工具。

大气数值模式: 天气源自大气层的变化,这些变化受物理学各种定律制约。数值天气预报技术利用高速电脑运算代表这些定律的繁复方程组,从而得知大气层的演变,以及相连的天气。方程式中的气象变数包括风、温度、气压及水汽含量。原则上,从已知的初始状况和边界条件便足以进行计算,得出各项气象变数随时间的变化,作为天气预报的依据。最常用的运算方法有「频谱变换法」及「有限差分法」,而有关的模式分别称为「谱模式」和「差分模式」。为了减省计算量,模式往往采用某些近似和假设去简化基本方程式,因此计算结果也就不是百分之一百真正大气的写照。

香港天文台的数值天气预报: 香港天文台一向接收和参考海外的数值预报产品(详见下文「中期数值天气预报资料」),在预报大尺度天气系统方面(例如冬季季候风所引发的寒潮),应用效果一般尚算满意。但是对于夹杂着恶劣天气的小尺度系统而言(例如暴雨),这些资料的分辨率就显得不够精细。为了得到高分辨率模式的输出结果作为本地天气预报的依据,天文台建立了一套「业务区域谱模式」(Operational Regional Spectral Model,简称ORSM)。ORSM在一九九九年十二月投入业务运作,以一台矢量电脑作为运算平台。其后该模式于二零零八年被一个并行版本所取代并置于一部伺服器丛集上运行。

范围及坐标的选择: 目前ORSM的设定是包含了一个二重「套网格」,幅员一大一小,格距一粗一细,分别简称为外模式及内模式。内模式覆盖香港及其邻近地区,分辨率高达20公里,嵌套于涵盖东亚及西太平洋的60公里分辨率外模式之内(图1)。根据目前的设定,内、外模式在「麦卡托」地图投影上均有151 X 145 个水平格点,而垂直则分40层。垂直坐标是混合了气压坐标和依随地形变化的坐标,上层倾向气压坐标,接近地面的层次则倾向依随地形变化的坐标(图2)。气象变数须在格点空间与频谱空间之间作出变换。

图1 图1  60公里(外模式)及20公里(内模式)ORSM范围。

 

图2 图2  ORSM网格点的垂直结构:上层趋向气压坐标,而下层坐标则随地形变化。

模式初始化: 天文台从海外及本地网络取得观测资料,经过译码后,便会进行质量控制检查,把可疑和错误的数据剔除,然后利用上一次模式运行所得出的短期预报场,即20公里内模式的3小时预报及60公里外模式的6小时预报,作为初估背景场,再注入最新观测数据,进行客观分析,以得出模式预报的初始场。目前采取的分析方案是「三维最优插值法」。从地球同步气象卫星云量数据和本港雨量计及雷达反射率所得出的每小时雨量资料,经物理初始化过程被纳入模式内。在这个过程中,初始场中降雨区域上空,位于抬升凝结高度与云顶之间的湿度会予以调整,作用是要启动降水过程。此外,降水过程的加热率亦会相应地调整,以符合实况观测的雨量。

物理过程的描述: ORSM中的物理过程包括辐射交换、水分的相变、积云对流所带动的能量重新分布、湍流所引发的动量、能量和水汽输送、大气与地面层之间的各种交换等等。这些物理过程非常复杂,目前仍然未能完全掌握,因此模式在业务性操作中只能分别以不同的参数化系统处理。

边界条件: 计算有关数学方程组的数值方法,牵涉到变数在空间的分布变化,故此亦需要另外提供模式范围以外的网格点值,从而按时间设定边界条件,以完成基本方程组的运算。60公里外模式的边界条件,主要来自日本气象厅全球谱模式的输出数据,当中包括地面数据及16个标准等压面的高空数据,顶层在10百帕斯卡,即离地约30公里的高度。20公里内模式的边界条件,则取自60公里外模式。

ORSM的业务运作: ORSM的主要任务是提供未来一两天的短期天气预报。20公里内模式每日运算八次,分别在协调世界时的00、03、06、09、12、15、18及21时,更新未来42小时的天气预报。而60公里外模式则每日运算四次,分别在协调世界时的00、06、12及18时提供最新的72小时天气预报。要完成整个从资料收集到产品制成的过程,内、外模式分别需时约3.5及4.5小时。为帮助预报员理解数值模式的结果,预报资料会被绘制成二维及三维的天气图像产品,经内联网发放。为方便发出本地天气预测,从模式抽出的预报资料,包括香港的地面风、气温、湿度、云量及累积雨量,更会整理成时间序列(图3)。其他预报产品尚有区域气温预报、降雨指数、垂直廓线图、气象要素图及特制天气图等等。在大雨及雷暴短期预报方面,透过ORSM和临近预报系统预警信息的结合,业务运作所需的重要资料便可以并列显示(图4)。

图3 图3  60公里ORSM的预报时间序列,包括:地面风、气温、湿度、云量及3小时累积雨量。

 

图4
图4  ORSM及临近预报系统的综合预警显示板。

中期数值天气预报资料: ORSM主要应用于短期预报,长达7天的中期天气预报便需要倚赖全球模式。事实上,天文台自一九八五年便开始使用欧洲中期天气预报中心及英国气象局的数值天气预报模式数据。数据的传送是通过世界气象组织的全球电信系统以网格点数值形式发布。自一九九六年起,天文台亦透过全球电信系统及互联网定时从日本气象厅下载其全球谱模式的数值天气预报产品。此外,自一九九九年开始亦经由北京及德国奥芬巴赫取得欧洲中期天气预报中心以GRIB格式发放的较高分辨率数值产品,而二零零二年起更透过互联网取得美国国家环境预报中心的全球模式产品。为求更有效地应用从不同渠道得到的数值天气预报资讯,天文台采用了不同模式的组合,透过集成处理方法,制作机会率预报,供各方面作为筹划和决策之用。

展望将来: 模式分辨率提升到现时的20公里无疑是一大改进,但对于空间分布极不均匀的雨量变化而言,其精确度仍觉不足(见图5)。为求提供更多定量和定点的资讯以支援恶劣天气预报,天文台正致力试验更高分辨率的「非静力模式」,并研究在业务上采用这些模式的可行性。随着模式分辨率日趋精细,模式的物理过程变得更加精巧,模式初始场的要求也将会更高。一些透过非传统途径及非定时收到的新类型数据,例如经精确调校的遥感平台所搜集的观测资料,要有效地应用于数值天气预报,仍需要进一步研究具体的方案。为此,资料同化将会采用更深入的运算方法,如三维或四维变分法及增强卡尔曼滤波等技术。

图5
图5  20公里ORSM香港地区附近网格点上的预报雨量和境内实测雨量的对照。雨量单位是毫米(mm)。精密度有限的网格点不足以反映港岛东部及将军澳的局部大雨(黄、红色区域)。


最近修订日期: <2014年3月4日>