Met Office数值天气预报历史

Jim

https://mp.weixin.qq.com/s/DhmnibeP_hA6j6wWztB9Sg
原创  WetWan   WetWan   2025年11月3日

本文内容翻译自 https://weather.metoffice.gov.uk ... -weather-prediction，原文简短介绍了英国气象局NWP历史。

从 1950 年代初期至今，英国气象局数值天气预报 （NWP） 的历史。

NWP 使用最新的天气观测和大气的数学计算机模型（例如英国气象局运行的统一模式UM）来生成天气预报。

英国气象局被公认为 NWP 领域的世界领导者，其历史可以追溯到 Lewis Fry Richardson 于 1913 年加入英国气象局后的开创性工作。英国气象局于 1965 年 11 月 2 日制作了第一个业务计算机预报。

NWP 现在是所有天气预报和预警以及为了解我们的天气和气候而进行的许多研究和开发的核心。

1952 年至 1965 年 - NWP 在英国的开始
早期实验
英国的第一个 NWP 预报由 Fred H. Bushby 和 Mavis K. Hinds 于 1952 年在 John S. Sawyer FRS 的指导下完成。这些实验预报是使用 12 × 8 网格生成的，网格间距为 260 公里，时间步长为 1 小时，在剑桥的 EDSAC 计算机和里昂公司的 LEO 计算机上进行 24 小时预报需要 4 小时的计算时间。

在这些初步实验之后，工作转移到曼彻斯特大学电气工程系的 Ferranti Mark 1 计算机上。

Meteor 流星

1959 年 1 月，在Dunstable的英国气象局安装了一台名为“Meteor”的 Ferranti Mercury 计算机。这是一个重要的里程碑，因为它是第一台专门用于 NWP 研究的计算机。

1960 年初，Meteor 被用来试验业务预报套件，使用改进的 Bushby-Whitelam 三层模型，覆盖西欧和北大西洋。

它包括 0000 UTC 分析的 6 小时预报，然后是 0600 UTC 重新分析和 24 小时预报。预测运行时间太长，得出的结论是需要一台更强大、更可靠的计算机。

Comet 彗星

取代 Meteor 的计算机是英国电动 KDF9，称为“Comet”，于 1965 年安装在Bracknell的英国气象局，售价 50 万英镑。

彗星使用晶体管，速度为每秒 60,000 次算术运算，内存为 12,000 个数字，并且可以在行打印机上输出斑马形图表，后来又可以在笔式绘图仪上输出图表。

1965 年起 - 英国气象局的业务NWP 预报

第一个业务的计算机预报是由英国气象局于 1965 年 11 月 2 日使用Comet计算机制作的。媒体受邀见证了英国气象局历史上的这一里程碑，并在媒体和电视上对其进行了前所未有的报道。

上图：英国气象局于 1965 年 11 月 2 日发布的第一次 NWP 作预报。预报显示 1965 年 11 月 3 日格林威治标准时间 0000 时地表压力。

彗星提供了每天两次预报的能力，使用三层干过滤Bushby-Whitelam模型在北纬 60° 的 300 公里水平网格长度上覆盖北大西洋和西欧。 使用高度场的局部表面拟合方法和风的平衡方程生成了初始统计数据。

上图：1966 年英国气象局（Bracknell）的英国电动 KDF9“彗星”计算机。

1970年代 - 全球天气观测的全球交换

随着世界气象组织 （WMO） 的全球电信系统改变了国家气象局和卫星数据交换之间的通信方式，全球天气观测数据的交换迅速增长。作为主干线网络 （MTN） 的枢纽之一，英国气象局安装了一对专用于消息路由的 Marconi Myriad 计算机。

1971 - IBM 360/195 计算机

IBM 360/195 计算机于 1971 年至 1982 年间使用。它的速度为每秒 400 万次算术运算，内存为 25 万个数字，安装在英国气象局总部新建的理查森翼楼。

与其前身不同，这台计算机是使用集成电路构建的。预报员可以通过交互式屏幕和键盘与计算机进行交互。缩微胶片绘图仪提供了一种新的、灵活的输出介质。

上图：1971 年英国气象局（Bracknell）安装 IBM 360/195 的计算机大厅的视图。

1972 - 10 层模型

10 层 Bushby-Timpson模式基于 J. S. Sawyer 制定的方案，求解了原始形式的流体运动、热力学、热传输和连续方程的纳维-斯托克斯方程，消除了对地转假设的需要。

它于 1972 年实施，首先在八角形模式中实施，在北纬 60 度时网格长度为 300 公里，每天运行两次，为期三天的北半球预报。

一年后，矩形模型被实施，100 公里的网格覆盖了北大西洋和欧洲的大部分地区（如右图中较深的灰色阴影所示）。其具体目的是预测锋面的降雨量。

这些模式是通过高度观测拟合正交多项式曲面，然后使用平衡和omega方程推导风来初始化的。无线电探空仪是主要观测源，辅以 AIREPS 和第一批卫星观测：SIRS 和 SATEMS。

1976 年 - 海浪预报

英国气象局参与数值波浪预报可以追溯到 1974 年，当时为发展中的北海石油工业提供气象服务需要支持来预测长周期涌浪。

第一代模式于 1976 年推出，随后于 1979 年推出了更复杂的第二代模式。这一直是英国气象局海浪服务的基础，直到 2008 年实施了第三代美国 WAVEWATCH III® 模式。

上图：早期海浪预报之一。

1980 年代 - 预报员指导

在 1980 年代，NWP 输出通过交互式监视器和大型平板绘图仪制作的图表到达中央预报办公室的预报员手中，而通信的进步使 NWP 输出能够通过文件传真（GRAFNET）和外站显示系统（ODS）发送到预报外站。

上图：1980 年代中央预报办公室的交互式监测器之一。

上图：1980 年代第一个预报员指南的样子，显示在交互式显示器上。

1982 年 - 全球能力

1982 年，使用经纬度网格的 10 层模式动力核心和源自 1970 年代后期为研究而开发的大气环流模型（GCM）物理参数化实现了一种新的 15 层NWP模式，。

1982 年入侵Falkland Islands后，它迅速扩展到提供军事支持的全球能力。

它使用了最优插值数据同化方案，并结合了nudging，也用于 FGGE。 早期全球 NWP 预报的示例如右图所示。

1985 年 - 中尺度 NWP

为了消除与对流和复杂地形相关的垂直环流表示的限制，从 1970 年代初期开始开发了一种新的更高分辨率模式，使用非静力、可压缩方程组和声波的半隐式处理（Tapp 和 White 1976）。

它于 1985 年用于常规天气预报用途，是世界上第一个投入运营的此类模式。它仅覆盖英国，旨在预测地形强迫的局地天气，例如海风、对流和雾。

云和湍流的参数化比当时全球和区域模式中使用的参数化复杂得多。该模式是通过从区域模型降尺度，然后使用交互式中尺度初始化 （IMI） 添加来自雷达、卫星和地表观测的局部细节来初始化的。其输出示例如上图所示。

Jim

（接上文）

1986 年 - 切尔诺贝利和 NAME

随着 1986 年切尔诺贝利事故导致放射性云广泛扩散，NAME 扩散建模系统最初被开发出来。

NAME 随后不断得到开发，并用于模拟化学火灾、火山喷发和疾病爆发等更广泛危害的扩散情况。

上图：1986 年切尔诺贝利事故后放射性羽流的扩散预报，使用现代版本的 NAME。

1990 - The Unified Model （UM）

UM是大气的数值模式，用于天气和气候应用。1990 年进行了实时测试，并于 1991 年 6 月 12 日业务运行。

UM具备全球和有限区域模拟，用于短期预报和长期气候模拟的能力。在实施时，全球短期预报模式的水平分辨率为纬度 0.833 度×经度 1.25 度（~90 公里），气候模拟全球模型的水平分辨率为纬度 2.5 度×经度 3.75 度（~300 公里）。最初的实现还在垂直方向有一组标准模式层，其中 20 层用于短期预报，42层用于全球气候模拟。

上图：1991 年 3 月 21 日 00 UTC 时有效的统一模型有限区域版本显示平均海平面压力和降水的 24 小时预报的早期示例。来自卡伦 （1993）

英国气象局及其合作伙伴正在不断开发UM，为新版本增加了对大气过程的最新理解。例如，英国气象局的全球分辨率运行从 1991 年的 90 公里提高到 2017 年的 10 公里。在第二个示例中，数据同化方案于 1999 年升级为 3D-Var，在 2004 年升级为 4D-Var，现在使用集合来提供有关模式初猜误差结构的信息。最后一个例子是，2003 年，UM升级为可压缩、非静力动态核心。最近，它通过更精确的 ENDGame 动力核心进行了进一步升级。

1995 - 临近预报

基于雷达和卫星数据的降雨人机临近预报系统于 1980 年代后期首次实施。

它的全自动继任者是 Nimrod，于 1995 年实施，它提供了未来最初几个小时的各种天气因素的详细预报。

上图：1990 年代中期 Nimrod 临近预报系统的预测输出示例。

2000 年 - 特定地点的预测

1970 年代，使用矩形模型的格点输出，最初尝试生成自动措辞的站点特定预报。1990 年代后期，使用特定地点预报模型 （SSFM） 解决了当地地形和土地利用的考虑。

移动通信的出现使高密度本地预报的交付成为现实，气象局于 2000 年推出了使用 WAP 移动电话协议提供的时间和地点服务。

上图：2001 年在手机上呈现的特定地点预报示例。

借助当前的高分辨率 NWP，现在通过诊断降尺度生成英国和全球数千个地点的预报，并可在我们的网站和天气应用程序上查看。

2003 - 搬运超级计算机

当气象局于 2003 年从Bracknell搬到Exeter时，它涉及有史以来最大的 IT 搬迁之一，包括现有超级计算机（Cray T3E 超级计算机，如下所示）的物理运输。

两台计算机分别移动，一台在Bracknell 维护预报，直到另一台在Exeter接管。搬迁提前两周完成，没有错过任何预报。

2005 - 集合预报

继 1980 年代后期进行季节性集合预报的早期工作之后，英国气象局专注于解释 ECMWF 中期集合预报 。

然而，当较短范围内的集合预报的价值变得明显时，英国气象局全球和区域集合预报系统 （MOGREPS） 于 2005 年实施，并于 2007 年全面投入使用（Bowler 等人，2008 年）。

上图：2007 年 11 月 9 日东海岸风暴潮之前，MOGREPS 区域部分内每个集合成员的 36 小时预报。

2010 - 英国对流尺度模式

继早期对 4 公里网格长度模式的工作之后，第一个真正允许对流的英国模式于 2010 年推出，早期业务预报如下所示。

上图：2010 年首批对流允许业务预报之一

该模式至今仍在使用，并且具有可变（variable）水平分辨率，因此被称为“UKV”模式。 可变网格长度在不列颠群岛上空提供了 1.5 公里的网格分辨率，提供了前所未有的当地天气细节，包括对流（Tang 等人，2012 年）。

UKV 的主要好处是更好地解决对流阵雨或风暴，在极端情况下，这些阵雨或风暴可能会在冬季引起重大洪水事件或破坏性降雪。

对流云的水平范围通常小于 10 公里，因此必须在全球模式分辨率下表示为次网格过程。相比之下，1.5 公里的模式通常可以在模式网格上显式产生对流。

2012 - 对流允许的集合

认识到由于小特征尺度和混沌误差快速增长，对流尺度细节的可预测性有限，UKV 模型与基于 UKV 的 2.2 公里集合 MOGREPS-UK 进行了补充，该集合首次在 2012 年伦敦奥运会上展示（Golding 等人 ，2014 年和 Tennant，2015 年）。

上图：使用 MOGREPS-UK 捕捉与锋面系统相关的英国强降雨确切地点的不确定性的示例。左图：来自 12 个 MOGREPS-UK 集合成员的降雨预报。右图：强降雨概率，由社区处理 12 个集合成员得出。

2015 年至 2017 年 - Cray XC40 超级计算机

英国气象局最新超级计算机的第一部分于 2015 年抵达，并于 2017 年完全安装完毕。

现已完成，这台新计算机（如下所示）拥有 460,000 个内核，可提供 16 petaflops 的峰值性能。它有 2 PB 的内存用于运行复杂的计算，有 24 PB 的存储空间用于保存数据。

增加的算力可以实现更高分辨率的预测。分辨率小于 1 公里的实验已经显示出惊人的准确细节，而对我们更长时间预报的改进正在再现影响我们季节性天气特征的全球尺度环流变化。

2025 – Microsoft 基于云的超级计算系统

在 2025 年 5 月无缝过渡后，英国气象局的天气和气候业务运行过渡到 Microsoft 在 Azure 云中运营的新超级计算机。

它是第一台致力于天气和气候科学的基于云的超级计算机。新的超级计算机运行在基于云的系统上，是一种完全托管的“超算即服务”模型。这意味着它更能适应未来的发展，可以根据英国气象局和英国不断变化的需求调整服务。

Met Office 和 Microsoft 之间的合作伙伴关系利用两个组织的综合优势为行业树立了新标准。

我们的新型超级计算机每秒能够进行超过 60 万亿次（60,000,000,000,000,000） 次计算，包含 180 万个计算核心，具有更大的容量和更高的性能。

超级计算能力的提高将带来其他科学发展和好处，包括更好地了解预期的未来降雨趋势和极端情况，以及海平面的变化及其对地方层面的影响。这将有助于在当前和未来气候下围绕洪水和相关财产损失、基础设施和服务中断做出决策。

<完>