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AMS 百年评述论文译介

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预报和NWP应用100年进步 发布日期 :2024-04-07  

  作者:StanleyG.Benjamin(NOAA);JohnM.Brown(NOAA);GilbertBrunet(加拿大环境和气候变化部);PeterLynch(爱尔兰都柏林大学);KazuoSaito(日本东京大学);ThomasW.Schlatter(NOAA)

  编译:贾朋群 李婧华

  摘要:过去100年,包括政府天气部门、大量环境观测机构在内的国际科学界,改进科学认知,提升技术,与媒体一起从根本上将天气预报转变成为有效的全球和区域环境预报能力。本章追溯始于1919年(美国气象学会成立)的预报演化进程,并用1939年、1956年和1985年划分成4个时代。如果没有国家内部和国家间核心合作共同面对天气和地球系统预报的挑战,目前的预报水准是无法达到的。AMS本身在促进这种国际合作方面起到重要作用。

  

  1引言

  天气预报在过去一个世纪里,从一个经验、基于推测并几乎无技巧可言的活动,演化成不断提升自动化、展示很好的预报准确性的高技术事业。这一转变的完成,有赖于我们观测大气的能力、通过应用各种物理原理认识大气现象,以及通过数字计算的出现和随后其能力的大幅度提升。组织和个人每天做出的决策,无论是很随意还是影响深远,都基于预报界对未来环境状况的评估——预报,尤其是天气预报。VilhelmBjerknes(Bjerknes1911)定义预报是气象学的终极问题。

  本章,我们追踪过去100年天气预报的进步和导致这一进步的科学问题。这种进步在这里被拆分为4个长度为20—30年的时代,在每个时代,预报科学和实践都经历了重大改变。本章的主题是预报,是对这本AMS100周年文集其他章描述的科学发展内容的补充,也从这些内容中提取。预报科学紧跟大气科学(认识和数值表示其他章节描述的物理过程和现象)的整体进步,但是也时常反过来,经常在关键预报失败后,加速这些相关领域的研究。在一般意义上的预报,以及数值预报模式,极大地促进了认识大气-地球系统(如,Randalletal2019)。科学方法的反复应用——提出问题、组织新猜想和开展试验及收集观测来检验猜想——是天气预报开发背后的故事,也是这本文集共同的科学主题。

  在每个时代,可能的情况下我们明确用于预报的观测,分析这些观测使之成为完整图像(一张天气图)的过程,影响预报实践的科学认知的增加,从政府到媒体的天气预报提供者集体,以及决策过程和不同应用的演化。在每个时代,我们还给出预报的量化方面,例如,数值预报(NWP),推进预报技术,预报的用户交流的演化,以及公众对预报的理解。表1给出每个时代这些预报要素的进步。正如Murphy(1993)注意到的,天气预报只有在用于好的决策时才体现出其价值所在(见表中1944年之后),因此,本文的核心点是业务预报的进展。

  

  

  这100年分为以下时代:

  “时代1”(1919—1939年:仅有地图;观测和外推/对流技术)

  “时代2”(1939—1956年:增加科学认识,尤其应用于航空,计算机出现)

  “时代3”(1956—1985年:NWP出现,遥感开始)

  “时代4”(1985—2018年:天气预报,尤其是NWP成熟,几乎渗透到人类活动的所有领域)

  本章扫描这些巨大努力,只能简要介绍,甚至无法提及所有重要分支。预报及其科学认知在每个时代都有巨大的改变。我们专注于指导人类日常活动的天气预报,但也关注相邻的气候预报事业,后者利用非常相近的科学和技术,认识到无缝隙的天气-气候预报目前常被提及(如,Brunetetal2015)。天气预报与更广泛的地球预报之间的联系,到2019年已经在很多NWP中心被打磨,是未来预报的关键,正如在本章最后一节所阐述的那样。

  本章补充其他章节关于地球系统模式开发、强对流风暴科学研究、热带和温带气旋研究、应用气象和观测系统的内容,给出文集其他部分描述更为充分的科学内容在人类活动中的应用;预报提供了唯一的科学进入公众和预报提供者本人日常生活的入口。

  我们的预报章节包括了实时预报与NWP应用的紧密联系领域。即使在1919年,适用于NWP的运动方程的形式已经由VilhelmBjerknes在1904年和ClevelandAbbe在1901年提出。

  这些方程的数值解已经被LewisRichardson于1922年发表的报告中进行了尝试。SverrePetterssen(Petterssen1974)写道,卑尔根学派时代的气象学者在向前看,但是没有根本性改进的观测和求解运动方程的方法,因此无法量化预报。这一任务直到后来才由Carl-GustafRossby(Rossby1939,及以后文献)、JuleCharney(Charneyetal.1950)和其他人初步完成。