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第1章 绪论1

1.1 数值预报的内涵与历史1

1.2 当代数值的成就与影响2

1.3 当代数值预报的几个重大科学技术问题3

1.3.1 资料的四维同化3

1.3.2 动力模式的精细化4

1.3.3 大气内的物理化学过程4

1.3.4 大气与其他圈层的耦合5

1.3.5 数值预报的产品应用5

1.4 数值预报的业务与我国数值预报的展望6

第2章 资料同化基本理论与同化技术8

2.1 资料同化的基本概念与发展历史8

2.2 资料同化的基本理论9

2.3 资料同化的主要方法11

2.3.1 最优插值11

2.3.2 三维与四维变分资料同化12

2.3.3 集合卡尔曼滤波16

2.4 气象观测资料的质量控制17

2.4.1 气象观测资料的误差分类17

2.4.2 基本气象要素观测资料的质量检查18

2.4.3 质量控制的决策方案19

2.4.4 变分质量控制19

2.5 气象综合观测系统与探测内容20

2.5.1 气象综合观测系统的构成20

2.5.2 气象综合观测系统的主要探测内容21

2.6 大气资料同化的主要技术23

2.6.1 大气数值预报模式与资料同化的状态变量23

2.6.2 数字滤波初始化过程23

2.6.3 大气遥感资料的同化24

2.6.4 快速辐射传输算子25

2.6.5 气象观测资料在数值预报中的应用26

2.7 海洋、陆面中的资料同化技术27

2.7.1 海洋资料同化技术27

2.7.2 陆面资料同化技术28

第3章 模式基本理论与数值求解31

3.1 模式动力学方程组与基本理论32

3.1.1 基本方程组32

3.1.2 模式设计35

3.1.3 数值离散36

3.1.4 时间积分43

3.1.5 模式的守恒性44

3.2 数值模式的物理过程47

3.2.1 辐射过程47

3.2.2 云和降水过程50

3.2.3 边界层、陆面过程59

3.2.4 次网格地形拖曳62

第4章 可预报性理论基础与数值预报的不确定性68

4.1 大气混沌本质与预报不确定性68

4.2 数值预报的不确定性及误差的来源69

4.2.1 数值预报存在不确定性69

4.2.2 解决“单一”数值预报不确定性问题的途径——集合预报70

4.3 集合预报初值扰动方法71

4.3.1 蒙特卡罗随机扰动法（MCF）71

4.3.2 时间滞后平均法（LAF）71

4.3.3 奇异向量法（SVs）72

4.3.4 增长模繁殖法（BGM）72

4.3.5 卡尔曼滤波法（ETKF）74

4.3.6 集合转置法（ET）74

4.4 集合预报模式不确定性表述75

4.4.1 多物理过程组合法75

4.4.2 多模式扰动方法75

4.4.3 随机物理过程方法75

4.5 集合预报偏差订正与集成技术76

4.5.1 集合预报偏差订正76

4.5.2 集合预报集成技术81

第5章 现代数值预报业务84

5.1 数值预报业务系统概述84

5.1.1 数值预报业务系统的组成84

5.1.2 数值预报循环滚动预报过程86

5.2 国外数值预报业务发展概述87

5.3 全球中期数值预报业务87

5.3.1 业务概述87

5.3.2 TL639L60全球中期数值预报模式90

5.3.3 GRAPES_GFS全球数值预报业务系统95

5.4 有限区域数值预报业务102

5.4.1 业务发展概述102

5.4.2 GRAPES_MESO数值预报系统103

5.4.3 GRAPES_RUC区域快速同化分析106

5.5 GRAPES四维变分同化系统的发展110

5.6 短期气候模式预测业务112

5.6.1 短期气候模式预测业务概述112

5.6.2 短期气候预测模式业务系统113

5.6.3 新一代短期气候预测模式系统的研发118

第6章 数值集合预报（预测）业务127

6.1 数值集合预报（预测）业务概述127

6.1.1 国际集合预报业务发展历程127

6.1.2 中国集合预报业务系统发展历程128

6.1.3 集合预报与TIGGE129

6.2 全球集合预报业务系统130

6.2.1 扰动方法与系统流程130

6.2.2 全球集合预报概率预报性能131

6.3 区域超级集合预报131

6.3.1 扰动方法132

6.3.2 区域集合预报系统与预报性能132

6.3.3 集合预报应用个例134

6.4 气候模式集合预报139

6.4.1 大气模式初值扰动与月尺度动力延伸集合预测业务流程139

6.4.2 海洋模式初值扰动与季节尺度海气耦合模式集合预测业务流程140

第7章 专业（专项）数值预报业务142

7.1 台风数值预报业务142

7.1.1 台风数值预报业务概述142

7.1.2 台风涡旋初始化技术143

7.1.3 台风路径集合预报146

7.2 扩散传输模式147

7.2.1 业务概述147

7.2.2 污染物扩散模型148

7.2.3 全球大气环境应急响应模式系统149

7.2.4 区域精细化大气环境应急响应模式系统151

7.2.5 业务平台与流程151

7.3 水文气象数值预报模式业务151

7.3.1 业务概述152

7.3.2 水文模型152

7.3.3 与业务模式的耦合153

7.3.4 模式性能154

7.3.5 水文概率预报155

7.4 海浪预报模式业务155

7.4.1 业务概述155

7.4.2 海浪模型156

7.4.3 海浪数值预报模式系统157

7.4.4 海浪概率预报157

7.5 风暴潮预报模式业务模型158

7.5.1 风暴潮数值预报业务概述158

7.5.2 风暴潮模式158

7.5.3 风暴潮模式性能160

第8章 数值预报产品的解释应用与检验评估业务162

8.1 天气模式产品解释应用与检验评估163

8.1.1 解释应用方法与业务163

8.1.2 检验评估方法与业务168

8.2 气候模式产品解释应用与检验评估174

8.2.1 解释应用方法与业务174

8.2.2 检验评估方法与业务176

第9章 数值预报产品与分发180

9.1 数值预报产品的后处理180

9.2 单一数值预报产品181

9.2.1 模式基本预报产品181

9.2.2 模式诊断量181

9.2.3 近地面要素183

9.3 概率预报产品183

9.3.1 集合平均预报和离散度产品184

9.3.2 图形产品184

9.3.3 特点阈值的概率预报产品186

9.4 专业数值预报产品187

9.4.1 台风数值预报产品187

9.4.2 环境应急响应数值预报产品188

9.4.3 海浪数值预报产品188

9.5 模式检验产品188

9.6 气候模式主要预测产品189

9.6.1 月尺度预测产品189

9.6.2 季节尺度预测产品190

9.6.3 气候预测中的概率产品193

9.7 数值预报产品的分发193

第10章 数值预报支撑系统195

10.1 高性能计算机195

10.1.1 国家级高性能计算机建设和发展历史195

10.1.2 欧美等发达国家气象部门196

10.1.3 国家级在用的主力平台196

10.1.4 未来国家级高性能计算机的发展196

10.2 海量存储系统197

10.2.1 国家级气象资料存储检索系统197

10.2.2 未来国家级存储系统发展197

10.3 并行计算197

10.3.1 并行计算技术197

10.3.2 并行计算技术在气象数值预报中的应用198

10.3.3 并行计算技术在气象领域应用的展望198

10.4 资源管理199

10.4.1 概述199

10.4.2 资源管理系统199

10.4.3 未来资源管理目标200

10.5 作业管理200

10.5.1 概述200

10.5.2 数值预报模式的作业管理200

10.6 数据管理201

10.6.1 概述201

10.6.2 MARS数据格式202

10.6.3 MARS在业务中应用202

10.6.4 未来MARS在CMA的应用203

10.7 数值预报产品图形显示平台203

10.7.1 NCL汇图语言203

10.7.2 总体架构204

10.7.3 系统主要特点204

10.7.4 现有提供图形产品及未来发展计划205

10.8 交互式协同开发中试平台205

附录 常用英语缩写词中文名称206