第6章 物理過程參數(shù)化和資料同化問題

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)大氣科學(xué)學(xué)院陳耀登QQ：3545881課程任務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和基本方法課程目標(biāo)理解數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的基本原理；掌握數(shù)值預(yù)報(bào)基本操作步驟；為從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用、數(shù)值模擬研究等打下基礎(chǔ)；數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論和方法天氣預(yù)報(bào)的三次躍進(jìn)（1）地面和高空天氣圖的繪制和應(yīng)用；

天氣預(yù)報(bào)從經(jīng)驗(yàn)走向定性（2）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的實(shí)施；

天氣預(yù)報(bào)從定性走向定量（3）大氣混沌性：集合預(yù)報(bào)單一的確定論走向多值概率基于15km粗網(wǎng)格數(shù)值模式

預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)推斷“今天下午，本市局部地區(qū)有時(shí)有雷陣雨”需要定時(shí)、定點(diǎn)、定量

的精細(xì)化預(yù)報(bào)山東半島南京北京乳山個(gè)例12小時(shí)時(shí)段強(qiáng)降水預(yù)報(bào)圖2011年7月25號(hào)夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨，民房倒塌1600多間，死亡和失蹤人數(shù)逾百人1.1中尺度天氣及重要性衛(wèi)星云圖江蘇北京α中尺度降水系統(tǒng)(200km-2000km)雷達(dá)回波20km2011年7月25日晚08時(shí)β中尺度對(duì)流系統(tǒng)

（20km-200km）γ中尺度對(duì)流單體(2km–20km)乳山站3小時(shí)325mm降水1.1中尺度天氣及重要性觀測(cè)預(yù)報(bào)觀測(cè)雷達(dá)回波高分辨率(1km)實(shí)時(shí)試驗(yàn)預(yù)報(bào)美國(guó)國(guó)家天氣局強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)研究計(jì)劃（WoF)

(Xue等2009)三份重要文件1.中國(guó)氣象局《氣象科技創(chuàng)新體系建設(shè)指導(dǎo)意見（2014-2020年）》2014.10.302.中國(guó)氣象局《國(guó)家氣象科技創(chuàng)新工程（2014—2020年）實(shí)施方案》2014.10.303.教育部、中國(guó)氣象局《關(guān)于加強(qiáng)氣象人才

培養(yǎng)工作的指導(dǎo)意見》2015.2.3中國(guó)氣象局：2014.10.30《氣象科技創(chuàng)新體系建設(shè)指導(dǎo)意見（2014-2020年）》《國(guó)家氣象科技創(chuàng)新工程（2014—2020年）實(shí)施方案》明確的三個(gè)任務(wù)：1.高分辨率資料同化與數(shù)值天氣模式2.氣象資料質(zhì)量控制及多源數(shù)據(jù)融合與再分析3.次季節(jié)至季節(jié)氣候預(yù)測(cè)和氣候系統(tǒng)模式一、優(yōu)化氣象相關(guān)專業(yè)和人才結(jié)構(gòu)。辦好大氣科學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣物理與大氣環(huán)境等學(xué)科專業(yè)，加強(qiáng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣探測(cè)、公共氣象服務(wù)、氣象防災(zāi)減災(zāi)等方向的人才培養(yǎng)。支持行業(yè)特色高校統(tǒng)籌招生計(jì)劃增量與存量，適度擴(kuò)大大氣科學(xué)類專業(yè)本科生和研究生招生規(guī)模。教育部、中國(guó)氣象局《關(guān)于加強(qiáng)氣象人才培養(yǎng)工作的指導(dǎo)意見》2015.2.3一個(gè)重要事件2015.4.20：教育部、中國(guó)氣象局成立“中國(guó)氣象人才培養(yǎng)聯(lián)盟”氣象領(lǐng)域高等院校（氣象類學(xué)院）、科研院所、企業(yè)以及國(guó)家級(jí)氣象業(yè)務(wù)單位、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）氣象局均可申請(qǐng)加入聯(lián)盟。宇如聰：解讀（2015.4.23）氣象教育歷久彌新學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)面臨挑戰(zhàn)：

天氣預(yù)報(bào)、數(shù)值模擬、大氣化學(xué)、地球觀測(cè)、人工影響天氣等方面仍有不足

主要內(nèi)容第一章大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組

模式的基本方程組(球坐標(biāo)、局地直角坐標(biāo))；方程的垂直坐標(biāo)變換；

模式的分類。第二章地圖投影坐標(biāo)系中的基本方程組

地圖投影的基本概念；三種常用的地圖投影方式的基本概念、特點(diǎn)；正交曲線坐標(biāo)系的基本知識(shí)；地圖投影坐標(biāo)系下的方程：水平坐標(biāo)變換。第四章準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式第五章正壓原始方程模式第六章斜壓原始方程模式第七章物理過程參數(shù)化和初邊界條件第八章數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基本問題及展望主要內(nèi)容第三章數(shù)值計(jì)算方案差分格式(前差格式、后差格式、中央差格式)；差分格式的基本性質(zhì)（相容性、穩(wěn)定性，收斂性）；時(shí)間積分格式（時(shí)間層，隱式，非隱式）；差分格式的誤差問題（縮小格距或采用較高階的差分格式均能提高計(jì)算的精確度）非線性計(jì)算穩(wěn)定性問題（混淆誤差）主要內(nèi)容第四章正壓原始方程模式正壓原始方程(基本假定)的導(dǎo)出及其積分性質(zhì)；正壓模式計(jì)算穩(wěn)定性及其判據(jù)（空間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)的關(guān)系）；正壓模式的空間差分格式、時(shí)間積分格式；空間濾波和平滑（抑制非線性不穩(wěn)定）；求解過程（上機(jī)實(shí)習(xí)）。主要內(nèi)容第五章斜壓原始方程模式斜壓引入的原因；斜壓原始方程的垂直坐標(biāo)。第六章物理過程參數(shù)化和資料同化第七章數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基本問題及展望個(gè)人簡(jiǎn)介（陳耀登）福建沙縣人，博士，副教授。大氣科學(xué)學(xué)院數(shù)值模擬系主任。主要從事氣象數(shù)值模擬與資料同化相關(guān)工作。2007年畢業(yè)于河海大學(xué)，獲博士學(xué)位；同年到我校大氣科學(xué)學(xué)院參加工作。一）、引言

1、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的主要物理過程

2、物理過程參數(shù)化的必要性二）、濕熱力過程的參數(shù)化（凝結(jié)過程）三）、物理過程參數(shù)化存在的問題模式物理過程參數(shù)化

1分鐘1小時(shí)熱對(duì)流龍卷等雷暴對(duì)流單體城市效應(yīng)β中尺度梅雨鋒臺(tái)風(fēng)等斜壓波1天1月20m200m2km20km200km2000km10000km龍卷熱對(duì)流微β尺度中氣旋大龍卷短重力波微α尺度雷暴對(duì)流單體城市效應(yīng)中γ尺度中尺度對(duì)流系統(tǒng)山地湖泊天氣中β尺度組織化雷暴對(duì)流單體對(duì)流

系統(tǒng)大尺度中尺度2–20km30min–6h時(shí)間空間小尺度雷暴3h–1dayγ中尺度20–200km組織化大氣運(yùn)動(dòng)是多尺度的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的主要物理過程1、濕熱力過程（凝結(jié)過程）

1）積云對(duì)流過程

2）大尺度凝結(jié)過程數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的主要物理過程2、邊界層過程（近地面和行星邊界）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的主要物理過程3、輻射過程4、微物理過程WRFPhysicsRadiation輻射方案Longwave(ra_lw_physics)Shortwave(ra_sw_physics)SurfaceSurfacelayer(sf_sfclay_physics)近地面層方案Land/watersurface(sf_surface_physics)陸面方案PBL(bl_pbl_physics)行星邊界層方案Cumulus(cu_physics)積云對(duì)流方案Microphysics(mp_physics)微物理方案

物理過程參數(shù)化的必要性次網(wǎng)格過程：由于大氣是一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)，不管模式的分辨率如何高，總有一些接近于或小于網(wǎng)格距尺度的運(yùn)動(dòng)或過程，無法在模式中確切地反映出來，這種運(yùn)動(dòng)過程稱為次網(wǎng)格過程。

次網(wǎng)格尺度物理過程：湍流、對(duì)流、凝結(jié)和輻射過程都包含有次網(wǎng)格過程。在數(shù)值預(yù)報(bào)中通過采用參數(shù)化的方法來考慮這些過程，即用大尺度變量來描述次網(wǎng)格過程對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。二）、濕熱力過程的參數(shù)化（凝結(jié)過程）

凝結(jié)過程（也是潛熱釋放過程）分為：大尺度上升運(yùn)動(dòng)造成:上升慢，范圍廣，鋒面降水積云對(duì)流產(chǎn)生：上升快，范圍小，熱帶降水熱力學(xué)方程（差分）絕熱運(yùn)動(dòng)及溫度的擴(kuò)散造成的溫度變化國(guó)家氣象中心原先使用的LFM模式中的方案水汽凝結(jié)產(chǎn)生的非絕熱加熱L為凝結(jié)潛熱大尺度水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)所引起的濕度變化水汽方程水汽收支變化水汽收支變化水汽凝結(jié)產(chǎn)生的非絕熱加熱大尺度凝結(jié)；對(duì)流凝結(jié)；對(duì)流垂直輸送引起的濕度變化L為凝結(jié)潛熱對(duì)流凝結(jié)

小尺度的積云對(duì)流大尺度運(yùn)動(dòng)總體影響的關(guān)系及相互作用

1）直接法：求解描述兩類不同尺度運(yùn)動(dòng)的耦合方程組，直接求解積云尺度運(yùn)動(dòng)

2）間接法：用參數(shù)方法考慮小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的總體影響，而不考慮小尺度運(yùn)動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)積云對(duì)流參數(shù)化將模式不能顯式分辨的對(duì)流凝結(jié)和對(duì)流引起的熱量、水分和動(dòng)量的輸送與模式的預(yù)報(bào)變量聯(lián)系起來。實(shí)際做法：用網(wǎng)格點(diǎn)上的變量值來表示次網(wǎng)格尺度積云的凝結(jié)加熱以及垂直輸送效應(yīng)的作用。CumulusParameterization（1）對(duì)流什么時(shí)候發(fā)生？（2）對(duì)流發(fā)生后產(chǎn)生什么影響？（3）參數(shù)的估計(jì)（1）對(duì)流產(chǎn)生的判別條件：a.條件不穩(wěn)定：濕靜力能模式條件

積云對(duì)流b.水汽輻合：c.低層風(fēng)速輻合：滿足以上三個(gè)條件的格點(diǎn)可根據(jù)郭氏方法計(jì)算降水量。如果不考慮降落過程液態(tài)水的蒸發(fā)，氣柱中凝結(jié)的水汽就是地面降水量。（2）對(duì)流影響的估計(jì)：空氣拄的大尺度輻合經(jīng)驗(yàn)常數(shù)產(chǎn)生對(duì)流假如水汽輻合量中有一部分凝結(jié)下降，則降水量為：根據(jù)霍維邁爾經(jīng)驗(yàn)公式未凝結(jié)的水汽環(huán)境空氣的比濕環(huán)境空氣的溫度環(huán)境空氣的飽和比濕（2）對(duì)流影響的估計(jì)：(a)對(duì)流凝結(jié)加熱率：（3）參數(shù)的估計(jì)：(b)對(duì)流引起水汽垂直輸送，使空氣柱內(nèi)水汽重新分布，在模式中是直接計(jì)算大尺度水汽輻合和對(duì)流作用的總效應(yīng)。令對(duì)水汽方程則水汽方程可寫為（3）參數(shù)的估計(jì)：最后，水汽方程可寫成：直接估計(jì)其中：Anthes（1977）未凝結(jié)的水汽與各層的飽和差成正比CumulusschemeRecommendationsaboutuseFordx≥10km:probablyneedcumulusschemeFordx≤3km:probablydonotneedschemeHowever,therearecaseswheretheearliertriggeringofconvectionbycumulusschemeshelpFordx=3-10km,scaleseparationisaquestionNoschemesarespecificallydesignedwiththisrangeofscalesinmind三）、邊界層過程（動(dòng)量、熱量、水汽）邊界層的處理：模式把最低層作為邊界層，采用經(jīng)驗(yàn)輸送公式計(jì)算湍流動(dòng)量輸送：湍流粘性應(yīng)力：邊界層頂：湍流應(yīng)力＝0地面四）、輻射過程輻射傳輸?shù)幕疚锢磉^程：太陽的輻射；地-氣系統(tǒng)輻射；不同地表狀態(tài)云、氣溶膠、水汽、臭氧、二氧化碳等對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊憽?/p>

四）、輻射過程輻射傳輸方程：在地球大氣條件下，求解非常復(fù)雜，只能在一些假定下求得解析解，因此輻射傳輸方程的求解，一直是大氣輻射學(xué)研究的重要內(nèi)容。一般通過參數(shù)化形式進(jìn)行表達(dá)并求解。三）次網(wǎng)格過程參數(shù)化存在問題：盡管用參數(shù)化方案來描述次網(wǎng)格物理過程的方法已取得了相當(dāng)好的效果，但仍有許多未解決的問題:1）參數(shù)化不能考慮大尺度對(duì)小尺度的影響及其反饋?zhàn)饔茫?）參數(shù)的數(shù)值缺乏客觀的確定方法；3）模式對(duì)參數(shù)化的差異過于敏感等。

中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（12）：1966-1978桑美黑格比BMJKF不同的cuscheme模擬的路徑與CMA的最佳路徑之間的路徑誤差隨時(shí)間增大，而且不同的cuscheme模擬的路徑差異也較大。不同的cuscheme模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度相差較大，在24h左右開始出現(xiàn)較大差異，且差異隨時(shí)間增大。臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬對(duì)積云對(duì)流參數(shù)化方案的選擇很敏感；不同個(gè)例的最佳方案不同；原因是：不同方案采用了不同的假定，以及對(duì)積云降水的處理。中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(3):548-562.邊界層內(nèi)地表和自由大氣的交換傳輸作用是十分復(fù)雜的物理過程

具體問題需具體分析個(gè)例分析的結(jié)果不具普適性適當(dāng)選擇邊界層參數(shù)化方案對(duì)不同研究對(duì)象的模擬有重要意義（需要做敏感性實(shí)驗(yàn)分析其原因）高原山地氣象研究，2011，31（2）：18-25熱帶氣象學(xué)報(bào)，2009，25（4）：435-441熱帶氣象學(xué)報(bào)，2012，28（4）：461-470一、數(shù)值預(yù)報(bào)中的初值問題：初、邊界條件

In1904,theNorwegianhydrodynamistV.Bjerknessuggestedthat:Theweathercouldbequantitativelypredictedbyapplyingthecompletesetofhydrodynamicandthermodynamicequationstocarefullyanalyzedinitialatmosphericstates.一、數(shù)值預(yù)報(bào)中的初始化問題：采用原始方程模式作預(yù)報(bào)時(shí)，直接采用未經(jīng)任何處理的觀測(cè)值或分析值作為模式的初始場(chǎng)，容易導(dǎo)致高頻振蕩，產(chǎn)生計(jì)算不穩(wěn)定：第一、觀測(cè)或分析資料的誤差導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的不平衡；第二、初始資料和數(shù)值模式之間的不平衡。因此，需要對(duì)模式的初值進(jìn)行處理，即模式資料的“初始化”。問題的提出：模式初始化的常用方法：①靜力初始化②動(dòng)力初始化③變分初始化①靜力初始化又稱靜處理，是指用一些已知的風(fēng)壓場(chǎng)平衡關(guān)系，或用運(yùn)動(dòng)方程等求得的診斷方程來處理初值，使風(fēng)場(chǎng)同氣壓場(chǎng)平衡或近似平衡的方法。

地轉(zhuǎn)風(fēng)初值 平衡風(fēng)初值 考慮輻散的初始風(fēng)場(chǎng)②動(dòng)力初始化 又稱動(dòng)處理，這種方法是借助于原始方程模式本身所具有的動(dòng)力特性，經(jīng)過一些合理的步驟，使重力慣性波阻尼或被濾去，而得到接近平衡的初值。動(dòng)處理的具體方法包括動(dòng)力恢復(fù)法和正規(guī)波法等。③變分初始化 它既可以用于靜處理，也可以用于動(dòng)處理。該方法是通過變分原理，使初始資料在一定動(dòng)力約束下調(diào)整，達(dá)到各種初始場(chǎng)之間協(xié)調(diào)一致的方法。①靜力初始化：簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，但效果一般；②動(dòng)力初始化：自動(dòng)調(diào)整、有效濾除重力波高頻部分、

計(jì)算量較大，非線性的處理不一定收斂③變分初始化：物理意義清楚，結(jié)果好壞依賴于動(dòng)力

約束優(yōu)劣。簡(jiǎn)單約束：求解方便；復(fù)雜

約束：數(shù)學(xué)解存在較多問題。常用方法評(píng)價(jià)：一般初始化方法存在的問題消除虛假的重力波對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性有好處，但可能也把重力波真實(shí)部分消除了——數(shù)值預(yù)報(bào)的系統(tǒng)強(qiáng)度往往偏弱。上述方法都是讓風(fēng)壓場(chǎng)達(dá)到平衡或近似平衡，以消除虛假重力波，從而消除其帶來的計(jì)算不穩(wěn)定。天氣的發(fā)展演變和環(huán)流形式的劇烈變化，都是和風(fēng)壓場(chǎng)的不平衡激發(fā)出的重力慣性波有關(guān)，由于重力慣性波的存在，過分集中的不平衡能量能得到迅速釋放，使風(fēng)壓場(chǎng)重新調(diào)整適應(yīng)。如何使用不平衡初值以提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，是研究和業(yè)務(wù)中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。二、數(shù)值預(yù)報(bào)中的邊界條件問題：數(shù)值模式需要給定邊界條件：水平側(cè)邊界條件垂直邊界條件2、法向速度為零的邊界條件（剛體邊界）3、海綿邊界條件（過渡帶：外側(cè)固定，里側(cè)為計(jì)算值）4、外推邊界條件常用的水平側(cè)邊界條件包括：1、固定的邊界條件(預(yù)報(bào)量不隨時(shí)間變化)大氣科學(xué)學(xué)院閔錦忠三、嵌套網(wǎng)格邊界處理問題單向嵌套：

先計(jì)算粗網(wǎng)格，粗網(wǎng)格為細(xì)網(wǎng)格提供邊界；

然后再計(jì)算細(xì)網(wǎng)格。雙向嵌套：先計(jì)算粗網(wǎng)格，粗網(wǎng)格為細(xì)網(wǎng)格提供邊界；計(jì)算細(xì)網(wǎng)格；在邊界交界處，將細(xì)網(wǎng)格結(jié)果反饋給粗網(wǎng)格。二、數(shù)值預(yù)報(bào)中的資料同化問題：L.F.Richardson(1922)WeatherPredictionbyNumericalProcess,CambridgeUniversityPress英國(guó)數(shù)學(xué)家Richardson(1922)--數(shù)值預(yù)報(bào)嘗試二、數(shù)值預(yù)報(bào)中的資料同化問題：ThemajorreasonsforthefailureofRichardson’sforecast:觀測(cè)站網(wǎng)的密度和資料的精確度不夠；用的是完全的原始方程組；所取的時(shí)間和空間的間隔不合適，使計(jì)算出現(xiàn)不穩(wěn)定數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定性

二、數(shù)值預(yù)報(bào)中的資料同化問題：如何最有效地利用各種氣象觀測(cè)資料，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供一個(gè)更好的初始場(chǎng)，是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的重要方法。這就是氣象資料同化問題。（初始資料的同化）

在進(jìn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的過程中，我們還能不斷地接收到氣象觀測(cè)資料。它們相對(duì)初始場(chǎng)而言，代表了某一地點(diǎn)、某一時(shí)段內(nèi)氣象場(chǎng)的實(shí)際演變。使用它們來不斷地修正原來的預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的質(zhì)量非常有益。（預(yù)報(bào)過程中的資料同化）兩類資料同化的方法（初始資料的同化）：預(yù)報(bào)過程中的資料同化：RemoteSensingObservations我國(guó)高空探測(cè)網(wǎng)全國(guó)120個(gè)探空站，每天進(jìn)行08、20時(shí)（北京時(shí)）兩次從地面到高空25000米以上高空探測(cè)。獲取高空大氣溫度、濕度、氣壓和風(fēng)向風(fēng)速資料。其中87個(gè)站參加全球資料交換。共有7個(gè)探空站為全球GCOS探空站。我國(guó)新一代天氣雷達(dá)布局計(jì)劃布設(shè)158部新一代天氣雷達(dá);已經(jīng)完成了130部建設(shè),并投入業(yè)務(wù)使用。（不包括臺(tái)灣省、香港和澳門特區(qū)）四維同化是把不同時(shí)刻、不同地區(qū)、不同性質(zhì)的氣象資料，通過統(tǒng)計(jì)與動(dòng)力關(guān)系使之在動(dòng)力與熱力上協(xié)調(diào)起來，以求得更為合理的初始場(chǎng)；或者用來更新預(yù)報(bào)值，以得到質(zhì)量更好的連續(xù)天氣分析及預(yù)報(bào)結(jié)果的問題。資料同化（dataassimilation)：

大氣資料同化；海洋資料同化；陸面資料同化多項(xiàng)式法；逐步訂正法；多元最優(yōu)插值法；變分同化法；集合卡爾曼濾波法客觀分析-起源分析：在天氣預(yù)報(bào)中專指“實(shí)況天氣圖的繪畫”——畫天氣圖。分析是靠手工進(jìn)行的,不客觀。兩個(gè)預(yù)報(bào)員畫同一張?zhí)鞖鈭D,由于學(xué)歷不同、經(jīng)驗(yàn)不同、動(dòng)手能力和敬業(yè)精神不同,他們會(huì)得到很不相同