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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TIGGE 129

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