第1講 動力框架

1、及其產(chǎn)品應用及其產(chǎn)品應用培訓培訓大綱的大綱的內容和要求內容和要求 第一章第一章 數(shù)值預報模式（數(shù)值預報模式（8學時）學時） 第二章第二章 中短期預報業(yè)務數(shù)值預報產(chǎn)品介紹中短期預報業(yè)務數(shù)值預報產(chǎn)品介紹（4學時）學時） 第三章第三章 數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用（數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用（4學時）學時） 培訓內容：培訓內容：模式方程組；模式垂直坐標系特點及局限性；模式方程組；模式垂直坐標系特點及局限性；水平分辨率與垂直分辨率；空間差分方案；時間積分方案；水平分辨率與垂直分辨率；空間差分方案；時間積分方案；初值形成；初值形成；輻射過程參數(shù)化；云與降水過程參數(shù)化；陸面過輻射過程參數(shù)化；云與降水過程參數(shù)化；陸面過程

2、參數(shù)化；湍流過程參數(shù)化。大氣的可預報性與集合預報。程參數(shù)化；湍流過程參數(shù)化。大氣的可預報性與集合預報。 培訓要求：培訓要求：了解原始方程模式方程組；了解靜力近似對模了解原始方程模式方程組；了解靜力近似對模式的影響，理解數(shù)值模式垂直坐標的特點；理解空間分辨率式的影響，理解數(shù)值模式垂直坐標的特點；理解空間分辨率的影響；理解空間差分的特點與局限性；理解時間積分的特的影響；理解空間差分的特點與局限性；理解時間積分的特點與局限性；了解計算誤差；了解各種參數(shù)化方案的特點及點與局限性；了解計算誤差；了解各種參數(shù)化方案的特點及局限性；了解數(shù)據(jù)同化的概念與用途；了解集合預報的原理局限性；了解數(shù)據(jù)同化的概念與用途

3、；了解集合預報的原理及作用。及作用。 培訓內容：培訓內容：業(yè)務數(shù)值模式產(chǎn)品；日本數(shù)值模式產(chǎn)業(yè)務數(shù)值模式產(chǎn)品；日本數(shù)值模式產(chǎn)品傳真圖。品傳真圖。 培訓要求：培訓要求：初步掌握中短期預報所用的主要模式初步掌握中短期預報所用的主要模式的產(chǎn)品；了解日本傳真圖的命名方式，初步理解的產(chǎn)品；了解日本傳真圖的命名方式，初步理解傳真圖的應用；了解產(chǎn)品檢驗的基本方法，初步傳真圖的應用；了解產(chǎn)品檢驗的基本方法，初步理解各模式的預報性能。理解各模式的預報性能。 培訓內容：培訓內容：數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技術和數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技術和方法。方法。 培訓要求：培訓要求：了解數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技了解數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技

4、術和方法，以及特點及局限性。術和方法，以及特點及局限性。數(shù)值數(shù)值天氣天氣預報預報及其產(chǎn)品及其產(chǎn)品應用應用（課表安排）（課表安排）10.22(三三) 上午上午數(shù)值預報簡介（一）數(shù)值預報簡介（一） 動力框架動力框架鞏遠發(fā)鞏遠發(fā)10.31(五五) 上午上午數(shù)值預報簡介（二數(shù)值預報簡介（二） 物理過程物理過程鞏遠發(fā)鞏遠發(fā)11.06(四四) 上午上午數(shù)值預報簡介（三）數(shù)值預報簡介（三） 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同化同化朱克云朱克云11.25(二二) 上午上午數(shù)值預報簡介（四數(shù)值預報簡介（四） 常用常用數(shù)值預報數(shù)值預報模式簡介模式簡介 （EC，NCEP，T639）鞏遠發(fā)鞏遠發(fā)12.01(一一) 上午上午講座：數(shù)值預報產(chǎn)品

5、統(tǒng)計釋用技術簡講座：數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技術簡介介01鞏遠發(fā)鞏遠發(fā)12.02(二二) 上午上午講座：數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技術簡講座：數(shù)值預報產(chǎn)品統(tǒng)計釋用技術簡介介02鞏遠發(fā)鞏遠發(fā)1. 沈桐立，田永祥，沈桐立，田永祥，陸維松陸維松等等. 數(shù)值天氣預報數(shù)值天氣預報. 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，20102. Haltiner G J， Williams R T. Numerical Prediction and Dynamical Meteorology. Wiley， New York， 19803. Holton J R. An Introduction to Dynamic Mete

6、orology. Third Edition， Academic Press， 19924. 廖洞賢，王兩銘廖洞賢，王兩銘. 數(shù)值天氣預報原理及其應用數(shù)值天氣預報原理及其應用. 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，19865. 張玉玲，吳輝碇，王曉林張玉玲，吳輝碇，王曉林. 數(shù)值天氣預報數(shù)值天氣預報. 北京：科學氣象出版社，北京：科學氣象出版社，19866. 周毅，侯志明，劉宇迪等周毅，侯志明，劉宇迪等. 數(shù)值天氣預報基礎數(shù)值天氣預報基礎. 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，20037. 周毅，劉宇迪，桂祁軍等周毅，劉宇迪，桂祁軍等. 現(xiàn)代數(shù)值天氣預報現(xiàn)代數(shù)值天氣預報. 北京：氣象出版社，北

7、京：氣象出版社，20028. 孔玉壽，章東華孔玉壽，章東華. 現(xiàn)代天氣預報技術現(xiàn)代天氣預報技術. 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，2000第一講第一講 動力框架動力框架一一 引論引論二二 數(shù)值天氣預報模式方程組數(shù)值天氣預報模式方程組 三三 模式垂直坐標系特點及局限性模式垂直坐標系特點及局限性四四 水平分辨率與垂直分辨率水平分辨率與垂直分辨率五五 簡單的簡單的空間差分空間差分和和時間積分方案時間積分方案一一 引論引論1 天氣預報天氣預報的分類的分類2 什么什么是數(shù)值天氣預報是數(shù)值天氣預報 3 數(shù)值天氣預報數(shù)值天氣預報(模式模式)發(fā)展發(fā)展4 集合集合數(shù)值天氣預報數(shù)值天氣預報5 目前目前的數(shù)值預

8、報的數(shù)值預報水平水平6 數(shù)值預報模式的分類數(shù)值預報模式的分類 什么是天氣預報什么是天氣預報 天氣預報的分類天氣預報的分類 短期天氣預報、中期天氣預報、長期天氣預報短期天氣預報、中期天氣預報、長期天氣預報 臨近預報臨近預報 、氣候預測、氣候預測 天氣學方法、統(tǒng)計預報、數(shù)值預報天氣學方法、統(tǒng)計預報、數(shù)值預報 1-6小時之內則為短臨預報（臨近預報）小時之內則為短臨預報（臨近預報） 1-2天為短期天氣預報天為短期天氣預報 3-15天為中期天氣預報天為中期天氣預報 月、季為長期天氣預報月、季為長期天氣預報 氣候預測氣候預測 應用計算機，通過數(shù)值求解流體力學、熱力學、應用計算機，通過數(shù)值求解流體力學、熱力

9、學、動力氣象學的預報方程組，來制作天氣預報。動力氣象學的預報方程組，來制作天氣預報。 數(shù)值天氣預報是數(shù)值天氣預報是根據(jù)大氣的運動方程組，在一定初始條根據(jù)大氣的運動方程組，在一定初始條件和邊界條件下，即從現(xiàn)在時刻的天氣狀況或大氣運動件和邊界條件下，即從現(xiàn)在時刻的天氣狀況或大氣運動狀態(tài)狀態(tài)( (邊界條件和初始條件邊界條件和初始條件) )，通過數(shù)值計算，用計算機，通過數(shù)值計算，用計算機求解描寫天氣演變過程的大氣運動求解描寫天氣演變過程的大氣運動( (流體力學和熱力學流體力學和熱力學) )方程組，得到方程組，得到( (預報出預報出) )未來天氣狀況和大氣運動變化狀未來天氣狀況和大氣運動變化狀態(tài)的方法。

10、態(tài)的方法。 不同于傳統(tǒng)的天氣學方法的不同于傳統(tǒng)的天氣學方法的定性的和主觀的定性的和主觀的預報，數(shù)值預報，數(shù)值天氣預報是天氣預報是定量的和客觀的定量的和客觀的預報。預報。 2022-7-5142022-7-5152022-7-516 1904年數(shù)值天氣預報思想的提出年數(shù)值天氣預報思想的提出 ( Bjerknes ) 1922年數(shù)值天氣預報的嘗試年數(shù)值天氣預報的嘗試-原始方程模式原始方程模式 (Richardson) 1930年代和年代和1940年代高空觀測網(wǎng)的建立、動力氣象理論年代高空觀測網(wǎng)的建立、動力氣象理論的發(fā)展的發(fā)展 ( Rossby ) 1950年首次成功的北美地區(qū)年首次成功的北美地區(qū)5

11、00 hPa高度場的高度場的24小時預小時預報報 準地轉正壓模式準地轉正壓模式 ( Charney, Von Neumann ) 1959年利用原始方程模式作預報獲得了成功，其效果與年利用原始方程模式作預報獲得了成功，其效果與準地轉正壓模式相當準地轉正壓模式相當 ( Phillips ) 1960年代預報模式的發(fā)展和完善并投入業(yè)務年代預報模式的發(fā)展和完善并投入業(yè)務 1970年代逐步廣泛地用于業(yè)務預報年代逐步廣泛地用于業(yè)務預報 1980年代一個星期左右的中期預報年代一個星期左右的中期預報 1990年代和目前的月季預報和氣候預測年代和目前的月季預報和氣候預測 1904年，挪威科年，挪威科學家，比杰

12、克尼學家，比杰克尼斯斯(Bjerknes，1862 1951) 教授首次教授首次提出數(shù)值天氣預提出數(shù)值天氣預報的理論思想。報的理論思想。19161918年期間（第一次世界大戰(zhàn)），理查遜博士應征到前線的救護車隊當司機，他利用出車的空余時間，嘗試實踐比杰克尼斯的數(shù)值天氣預報理論思想，用手工的計算工具，直接求解氣壓、風速方程，推算未來倫敦6小時的氣壓變化。英國科學家，理查遜博士英國科學家，理查遜博士理查遜首次嘗試“計算天氣”，結果，失敗了，計算出倫敦6小時變壓達145hPa (算數(shù)是對的，結果是荒謬的)理查遜設計的計算工廠：理查遜設計的計算工廠：6萬萬4千人，用手千人，用手工計算器，計算出一次全球工

13、計算器，計算出一次全球3小時預報小時預報 1922年出版書年出版書 戰(zhàn)爭結束回到倫敦后，他出版了書，總結失敗的科學問題；并估計業(yè)務計算問題1950年，世界上第一張年，世界上第一張成功的數(shù)值天氣預報圖：成功的數(shù)值天氣預報圖：500mb高度場和渦度場高度場和渦度場（變高變渦度場）（變高變渦度場）初始初始24hrs 觀測觀測24hrs 預報預報24hrs 變高、渦變高、渦NWP的成功制造者：查尼、費也托夫和馮諾伊曼 CharneyCharney等等3 3人取得人取得NWPNWP成功的原因和條件：成功的原因和條件：(1) 高空觀測網(wǎng)建立：由于第二次世界大戰(zhàn)空軍作戰(zhàn)的高空觀測網(wǎng)建立：由于第二次世界大戰(zhàn)空

14、軍作戰(zhàn)的需要，發(fā)明了大氣高空探測技術，獲取了必要的大需要，發(fā)明了大氣高空探測技術，獲取了必要的大氣參數(shù)資料；氣參數(shù)資料；(2) 計算機發(fā)明：由于戰(zhàn)爭核武器的發(fā)展需要，發(fā)明計算機發(fā)明：由于戰(zhàn)爭核武器的發(fā)展需要，發(fā)明了可以自動快速計算的機器，解決了大量的科學了可以自動快速計算的機器，解決了大量的科學計算問題；計算問題；1946， ENIAC 電子管計算機電子管計算機(30噸，噸，占地占地167m2，387次乘法運算次乘法運算/秒秒) (3) 大氣科學理論取得突破性發(fā)展：羅斯貝提出了大大氣科學理論取得突破性發(fā)展：羅斯貝提出了大氣長波理論，推進了正壓渦度模式、濾波模式、氣長波理論，推進了正壓渦度模式、

15、濾波模式、平衡模式的建立。平衡模式的建立。 1955年用圖解法求解兩層模式做出了年用圖解法求解兩層模式做出了500hPa 24小時的預報。小時的預報。 1959年底，開始用電子計算機制作亞歐范圍和北半球范圍的年底，開始用電子計算機制作亞歐范圍和北半球范圍的正壓、斜壓過濾模式的高度場數(shù)值預報。正壓、斜壓過濾模式的高度場數(shù)值預報。 1965年春，國家氣象局開始發(fā)布正壓年春，國家氣象局開始發(fā)布正壓500hPa預報。預報。 1969年年, 資料處理、客觀分析和預報的自動化方案試驗成功。資料處理、客觀分析和預報的自動化方案試驗成功。 1973年年, 開始用原始方程三層模式制作預報。開始用原始方程三層模式

16、制作預報。 1980年代初，從接收資料到填圖、分析和輸出預報圖，都實年代初，從接收資料到填圖、分析和輸出預報圖，都實現(xiàn)了自動化，預報模式發(fā)展到多層原始方程模式，考慮了地現(xiàn)了自動化，預報模式發(fā)展到多層原始方程模式，考慮了地形和水汽凝結潛熱加熱等物理過程的影響。形和水汽凝結潛熱加熱等物理過程的影響。B模式模式 1990年代，在初值處理、衛(wèi)星資料的應用和四維同化等問題年代，在初值處理、衛(wèi)星資料的應用和四維同化等問題的解決上都有了長足進展，預報準確率進一步提高。的解決上都有了長足進展，預報準確率進一步提高。 中期數(shù)值天氣預報業(yè)務系統(tǒng)中期數(shù)值天氣預報業(yè)務系統(tǒng) 目前國家氣象中心業(yè)務系統(tǒng)中有：目前國家氣象中

17、心業(yè)務系統(tǒng)中有：T639L60、GRAPES 、臺、臺風、沙塵暴、集合預報等模式系統(tǒng)。風、沙塵暴、集合預報等模式系統(tǒng)。 氣象學報氣象學報第第35卷第卷第4期，期，1965年正式向全國發(fā)布年正式向全國發(fā)布48小小時時500hPa形勢預報形勢預報 揭開揭開 序幕序幕開創(chuàng)新紀元開創(chuàng)新紀元的時代的時代迅速發(fā)展取得巨大成就迅速發(fā)展取得巨大成就的時代的時代面臨巨大挑戰(zhàn)的時代面臨巨大挑戰(zhàn)的時代195019601990Mid-1970sAtmosphereMid-1980sAtmosphereLand SurfaceEarly 1990sAtmosphereLand SurfaceOcean & Se

18、a IceLate 1990sAtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolPresent DayAtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolNon-sulphateAerosolCarbon CycleEarly 2000s?AtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolNon-sulphateAerosolCarbon CycleDynamicVegetationAtmosphericChem

19、istryWeatherClimate ChangeClimateVariabilityOverview of Weather and Climate Models and the Required ObservationsNeed an Integrated Global Observing System Going Beyond the WWWFrom Ants Leetmaa，GFDL，NOAA，30/01/2003分辨率的提高和物理過程的完善分辨率的提高和物理過程的完善圈層的耦合、生物和圈層的耦合、生物和化學過程的增加完善化學過程的增加完善含含5個功能塊個功能塊:物理氣候系統(tǒng)物理氣候系

20、統(tǒng)(天天藍色藍色)生物地球化學系統(tǒng)生物地球化學系統(tǒng)(深黃色深黃色)人類活動影響相關人類活動影響相關聯(lián)的人文聯(lián)的人文(或社會或社會科學科學)系統(tǒng)系統(tǒng)(紫紅色紫紅色)固體地球固體地球(藍色藍色)太陽活動有關的空太陽活動有關的空間天氣間天氣(紅色紅色)固體地球和空間天固體地球和空間天氣的影響在物理氣氣的影響在物理氣候系統(tǒng)模式和地球候系統(tǒng)模式和地球氣候系統(tǒng)模式中只氣候系統(tǒng)模式中只是用已知的資料作是用已知的資料作為單向強迫來簡單為單向強迫來簡單考慮考慮,只有在地球系只有在地球系統(tǒng)模式中才能得到統(tǒng)模式中才能得到較客觀的描述。較客觀的描述。 集合數(shù)值天氣預報是集合數(shù)值天氣預報是1990年代投入業(yè)務的新預報技

21、術。年代投入業(yè)務的新預報技術。 數(shù)值預報中存在問題：數(shù)值預報中存在問題：由于觀測誤差，包括觀測儀器的誤差，由于觀測誤差，包括觀測儀器的誤差，觀測站點在時空上的不夠密集引起的誤差，以及資料分析、觀測站點在時空上的不夠密集引起的誤差，以及資料分析、同化處理中的計算誤差，我們所得到的作為數(shù)值模式的初始同化處理中的計算誤差，我們所得到的作為數(shù)值模式的初始場總含有不確定性。因此，實際大氣的真正狀態(tài)永遠不可能場總含有不確定性。因此，實際大氣的真正狀態(tài)永遠不可能被精確地估計出來，那么以這個初始場作為初值的模式解也被精確地估計出來，那么以這個初始場作為初值的模式解也僅僅是實際大氣可能出現(xiàn)的一個解。僅僅是實際大

22、氣可能出現(xiàn)的一個解。 解決方案：解決方案：為了減少由于資料誤差、模式誤差和大氣混沌特為了減少由于資料誤差、模式誤差和大氣混沌特性引起的數(shù)值預報的不確定性，嘗試根據(jù)某種誤差概率分布性引起的數(shù)值預報的不確定性，嘗試根據(jù)某種誤差概率分布生成一組初始數(shù)據(jù)集，從而制作出與之對應的一組預報組合，生成一組初始數(shù)據(jù)集，從而制作出與之對應的一組預報組合，然后用適當?shù)姆椒▽ζ浼?，這就是集合數(shù)值天氣預報。然后用適當?shù)姆椒▽ζ浼?，這就是集合數(shù)值天氣預報。 時間時間氣候特征氣候特征初值的不確定初值的不確定X確定性預報確定性預報分析分析預報不確定性預報不確定性6 現(xiàn)在的數(shù)值預報水平現(xiàn)在的數(shù)值預報水平 5 目前的數(shù)值預

23、報水平目前的數(shù)值預報水平2022-7-5372022-7-5382022-7-5392022-7-54072h48h24h 區(qū)域模式、區(qū)域模式、全球模式全球模式 短期模式、中期模式短期模式、中期模式 氣候模式、氣候系統(tǒng)模式氣候模式、氣候系統(tǒng)模式 中小尺度模式、大尺度模式中小尺度模式、大尺度模式 差分模式、譜模式差分模式、譜模式 物理定律物理定律 數(shù)學公式數(shù)學公式 牛頓第二定律牛頓第二定律運動方程運動方程 質量守恒定律質量守恒定律連續(xù)方程連續(xù)方程 理想氣體實驗定律理想氣體實驗定律狀態(tài)方程狀態(tài)方程 能量守恒定律能量守恒定律熱力學方程熱力學方程 水汽質量守恒定律水汽質量守恒定律水汽方程水汽方程大氣運

24、動方程組大氣運動方程組 牛頓第二定律：牛頓第二定律： 慣性坐標系慣性坐標系旋轉坐標系：旋轉坐標系： 絕對加速度和相對加速度：絕對加速度和相對加速度： 旋轉坐標系中作用于空微團上的力：旋轉坐標系中作用于空微團上的力： 旋轉坐標系中的運動方程旋轉坐標系中的運動方程 (1.12) m aFmaFddaaiitVF12dpgFdt VV 質量守恒定律：質量守恒定律： 用速度散度的定義用速度散度的定義 (1.13) (1.14) 問題：問題：兩種形式的連續(xù)方程兩種形式的連續(xù)方程 (1.13)和和(1.14)的不同含義的不同含義?()0dMdt()0ddt0ddt V()0tV 狀態(tài)參量：氣壓狀態(tài)參量：氣

25、壓 p、密度、密度、溫度、溫度 T 均勻系統(tǒng)的狀態(tài)方程：均勻系統(tǒng)的狀態(tài)方程：f ( p, , T ) = 0 理想氣體實驗定律：理想氣體實驗定律：Boyle-Charles定律定律 一般的一般的(干干)空氣狀態(tài)方程：空氣狀態(tài)方程： (1.15) 未飽和濕空氣狀態(tài)方程：未飽和濕空氣狀態(tài)方程： (1.18) pRT(1 0.618 )vpRq TRT 一般的熱力學方程：熱力學第一定律一般的熱力學方程：熱力學第一定律能量守恒定律能量守恒定律 (1.19) (1.22) 絕熱絕熱(Q=0)的熱力學方程的熱力學方程 (1.23) (1.25) 考慮水汽相變的熱力學方程考慮水汽相變的熱力學方程 (1.26

26、) 假絕熱過程的熱力學方程假絕熱過程的熱力學方程 (1.27) dEQdtlnpdc TQdtlnln0pdTdpcRdtdt0ddtpldTRT dpdqdTcQLcldtp dtdtdtspdqdTRT dpcLdtp dtdt 水汽質量守恒定律：水汽質量守恒定律： 水汽質量守恒方程：水汽質量守恒方程： 飽和假絕熱過程：飽和假絕熱過程： 凝結函數(shù)：凝結函數(shù)：()vdSdt (1.28)(1.29-30)ddsqqSqttVddqd ptpd tF22pvspvsLRc R Tq Tc R TL qF(1.35)(1.34)(1.36)120pdVpV gdtdVdtdTRT dpCdtp

27、dtpRT FQ1201()(10.618 )pddVpVgdtdVdtdTdpCRTLdtp dtdqdpdtpdtpqR T FFQF干空氣（干空氣（1.37）濕空氣（濕空氣（1.38） 初始條件就是初始時刻各因變量（即氣象要素）初始條件就是初始時刻各因變量（即氣象要素）的空間分布。的空間分布。 初始條件的一般形式為初始條件的一般形式為 (, 0)(, 0)(, 0)0,(, 0)(, 0)(, 0).uuxy zvv xy zwwxy ztppxy zTTxy zqqxy z 是研究區(qū)域的大氣邊界上氣象要素應滿足是研究區(qū)域的大氣邊界上氣象要素應滿足的條件。的條件。 如果研究全球范圍的大氣

28、運動，并且大氣如果研究全球范圍的大氣運動，并且大氣內部各氣象要素都是連續(xù)的，則只需要給內部各氣象要素都是連續(xù)的，則只需要給出大氣的出大氣的下邊界條件和上邊界條件下邊界條件和上邊界條件； 如果大氣內部存在有不連續(xù)面，則還需要如果大氣內部存在有不連續(xù)面，則還需要給出給出內邊界條件內邊界條件。l 大氣的下邊界就是地球表面上，而地球表面可視為一物質面。大氣的下邊界就是地球表面上，而地球表面可視為一物質面。假設大氣為理想流體，如果不考慮地表面的起伏不平，則下假設大氣為理想流體，如果不考慮地表面的起伏不平，則下邊界條件取為邊界條件取為 z = Zs( x , y ) , s = 0 Zs為地表面的拔海高度

29、。上式表明，地表面的垂直速度為零。為地表面的拔海高度。上式表明，地表面的垂直速度為零。l 如果考慮地形的起伏，則下邊界條件取為如果考慮地形的起伏，則下邊界條件取為 z = Zs( x , y ) , s = Vhsh Zs Vhs為地表面的水平鳳速。上式表明，沿起伏不平的地表面運為地表面的水平鳳速。上式表明，沿起伏不平的地表面運動的空氣微團有爬坡垂直速度。動的空氣微團有爬坡垂直速度。l 大氣運動基本方程組是在大氣為連續(xù)介質的假定下建立起大氣運動基本方程組是在大氣為連續(xù)介質的假定下建立起來的。連續(xù)介質假定成立的極限高度可視為大氣的上界，來的。連續(xù)介質假定成立的極限高度可視為大氣的上界，大氣上界的

30、高度比平流層、中間層大氣的高度要高得多。大氣上界的高度比平流層、中間層大氣的高度要高得多。l 在大氣上界，可以認為大氣與在大氣上界，可以認為大氣與“外界外界”無質量交換。因此，無質量交換。因此，上邊界條件取為上邊界條件取為 z TT = 0l 式中式中T、T分別為大氣上界的密度和垂直速度。上式表明，分別為大氣上界的密度和垂直速度。上式表明，在大氣上界，空氣質量的垂直通量為零。在大氣上界，空氣質量的垂直通量為零。l 大氣內部經(jīng)常存在過渡帶或不連續(xù)面，例如鋒面和逆溫層大氣內部經(jīng)常存在過渡帶或不連續(xù)面，例如鋒面和逆溫層等。在鋒面兩側，氣壓梯度和溫度梯度都是不連續(xù)的，因等。在鋒面兩側，氣壓梯度和溫度梯

31、度都是不連續(xù)的，因而在鋒面上運動方程和連續(xù)方程都失去意義，處理這類問而在鋒面上運動方程和連續(xù)方程都失去意義，處理這類問題的方法是把不連續(xù)面視為內邊界。題的方法是把不連續(xù)面視為內邊界。l 通常假定內邊界面為一物質面，即內邊界面兩側不同屬性通常假定內邊界面為一物質面，即內邊界面兩側不同屬性的氣團只沿界面運動，而不穿越界面。的氣團只沿界面運動，而不穿越界面。返回大氣運動的基本方程組大氣運動的基本方程組（干空氣或濕空氣）（干空氣或濕空氣）初始條件和邊界條件初始條件和邊界條件( (現(xiàn)在的大氣狀態(tài)）現(xiàn)在的大氣狀態(tài)）求求(數(shù)值數(shù)值)解解未來各個未來各個不同時刻的不同時刻的大氣狀態(tài)大氣狀態(tài)三 模式垂直坐標系特

32、點及局限性 1 球坐標系及其基本方程組球坐標系及其基本方程組 2 (局地局地) Z 坐標系中的基本方程組坐標系中的基本方程組 3 （氣壓）（氣壓）p 坐標系的特點坐標系的特點 4 （考慮地形）（考慮地形） 坐標系的特點坐標系的特點 5 幾種考慮地形的垂直坐標系幾種考慮地形的垂直坐標系坐標系？坐標系？T=0T=1, T = n未來不同時間未來不同時間氣象要素的演變？氣象要素的演變？222221tancos1tan111cos1()0coscosrpdupuvuwfvfwFdtrrrdvpuvwfuFdtrrrdwpuvfugFdtrrduvwrdtrrrrdTRT dpCQdtp dtpRT （

33、1.55）21tancos1tan11(tan )0cosrpdupuvfvFdtaadvpufuFdtaadwpgFdtzduvvdtaaadTRT dpCQdtp dtpRT （1.74）111()0rpdupfvFdtxdvpfuFdtydwpgFdtzduvwdtxyzdTR T dpCQdtpdtpR T （1.77）p = ps p = pT 0 1z = zT z = 0 用氣壓用氣壓 p 來代替高度來代替高度 z 作為空間的垂直坐標。作為空間的垂直坐標。適用于等壓面分析。適用于等壓面分析。連續(xù)方程的形式簡單，密度連續(xù)方程的形式簡單，密度不在其中出現(xiàn)。不在其中出現(xiàn)。用靜力學方程代替垂直運動方程，從而把對天用靜力學方程代替垂直運動方程，從而把對天氣變化影響不大的垂直聲波慮掉。氣變化影響不大的垂直聲波慮掉。下邊界難于處理，不適合用其來研究地形對大下邊界難于處理，不適合用其來研究地形對大氣運動的影響。氣運動的影響。采用了靜力近似假定，不適合用其來研究中小采用了靜力近似假定，不適合用其來研究中小尺度天氣系統(tǒng)的運動變化規(guī)律。尺度天氣系統(tǒng)的運動變化規(guī)律。22()0hpphhphppdVf kVFdtRTppVpCRQuvtxyppC pRTp （1.123） p坐標的變形，用坐標的變形，用 ( p