中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式課件

中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式高山紅中國海洋大學(xué)中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式高山紅1內(nèi)容

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展歷史中尺度天氣預(yù)報(bào)模式是如何工作的？理解與認(rèn)識挑戰(zhàn)與展望內(nèi)容數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展歷史2數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展歷史古代氣象學(xué)

觀測：中國人最早開始有規(guī)律地記載對氣象的觀察。遠(yuǎn)在公元前1300年的殷商時期，就有了連續(xù)10天描述天空的特征、雪的厚度以及風(fēng)的特征等記錄。到了周朝（公元前1066年），對氣候的描述才開始正式列入歷史的記載。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展歷史古代氣象學(xué)3諺語：羅馬人與青蛙大約在公元前278年，青蛙首次出現(xiàn)在氣象學(xué)上?！叭绻嗤茉谡訚衫镆恢眴握{(diào)地叫著，將會有滂沱大雨。”古羅馬詩人維吉爾在《農(nóng)事詩》中寫道：“如果看到鶴從河谷地往上飛的景象，下雷雨則是農(nóng)夫意料中的事?！敝V語：羅馬人與青蛙4現(xiàn)代氣象學(xué)天氣——戰(zhàn)場決勝的因素

愷撒攻打不列顛（公元前55年，風(fēng)暴）英法百年戰(zhàn)爭（1346，1415，大雨）拿破侖進(jìn)攻俄國、滑鐵盧之戰(zhàn)（1788，大雨、大冰雹）忽必烈攻打日本（1274，1281，臺風(fēng)）現(xiàn)代氣象學(xué)誕生于風(fēng)暴之中

1854年11月14日，一場強(qiáng)烈的風(fēng)暴使法軍的亨利四世號軍艦及38艘商船毀壞殆盡，400人死亡！天文學(xué)家調(diào)查的結(jié)果是：風(fēng)暴在11月12日即以存在，在兩天之內(nèi)自西北向東南席卷整個歐洲。指出：影響天氣的因子當(dāng)中，大部分都具有遷移性?，F(xiàn)代氣象學(xué)于是邁出了它的第一步！現(xiàn)代氣象學(xué)天氣——戰(zhàn)場決勝的因素5監(jiān)測網(wǎng)的建立法國設(shè)立監(jiān)測網(wǎng)（最初有24個，其中13個以電報(bào)互相聯(lián)系）；至1865年，整個歐洲氣象網(wǎng)有59個站。觀測結(jié)果：天氣的變化，似乎與氣壓表讀出的大氣壓力關(guān)系密切。監(jiān)測網(wǎng)的建立法國設(shè)立監(jiān)測網(wǎng)（最初有24個，其中13個以電報(bào)互6早期的天氣圖1877,newspaper,Sydney1885,westernEurope早期的天氣圖1877,newspaper,Sydney17地面等壓線外推法荷蘭的白貝羅與白貝羅定律（Buys-Ballot,1817-1890)背對地面風(fēng)，順時針轉(zhuǎn)30o，低壓在左，高壓在右。地面等壓線外推法荷蘭的白貝羅與白貝羅定律（Buys-Ball8地面站地面站9探空站探空站10鋒面氣旋理論槽來脊往需要經(jīng)驗(yàn)但是不能總靠經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)檫@種東西很難從父親傳給兒子鋒面氣旋理論槽來脊往11數(shù)值天氣預(yù)報(bào)思想的誕生經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展歷史流體力學(xué)控制方程V.Bjerknes于1904年首先指出基于計(jì)算機(jī)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)思想的誕生經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展歷史12數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式舉例：屋子里氣球的漂移介紹初始條件、時變邊界條件動力框架與熱力框架參數(shù)化問題數(shù)值計(jì)算問題（計(jì)算量、誤差）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式舉例：屋子里氣球的漂移13

模式從數(shù)學(xué)角度來講，氣象/海洋模式就是一組數(shù)學(xué)物理方程。給定初始條件（與時間有關(guān)的參數(shù)）與邊界條件（與空間有關(guān)的參數(shù)），就可以得到這組數(shù)學(xué)物理方程的解。

模式14初值條件邊界條件氣象模式是一組非常復(fù)雜的偏微分方程組，必須通過數(shù)值方法（數(shù)值離散化）才能得到其解。

初值條件15

劃分

數(shù)值方法：譜模式、差分模式，有限元模式

模擬區(qū)域：全球模式，區(qū)域模式

現(xiàn)象尺度：氣候模式，天氣尺度模式，

中小尺度模式，微尺度模式

GCM

ECWMFNCEP；MM5，RAMS；METRAS

MOMPOMHAMSAM

SWANToomany！劃分

數(shù)值方法：譜16NumericalweatherpredictionwasattemptedfirstbyLewisF.Richardsonin1922BasedontheideaofBjerknesWho?Numericalweatherpredictionw17中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件181950年，第一次數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取得成功！北美500hPa高度場正壓過濾模式1950年，第一次數(shù)值正壓過濾模式19數(shù)值預(yù)報(bào)流程圖數(shù)值預(yù)報(bào)流程圖20中尺度天氣預(yù)報(bào)模式

是如何工作的？中尺度天氣預(yù)報(bào)模式

是如何工作的？21內(nèi)容介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹內(nèi)容介紹介紹22介紹中尺度模式是什么？它們?yōu)槭裁从杏?？有足夠的水平與垂直分辨率去預(yù)報(bào)中尺度天氣現(xiàn)象的數(shù)值預(yù)報(bào)模式這些現(xiàn)象通常受地形與海岸線強(qiáng)迫，包含最嚴(yán)重的天氣災(zāi)害如龍卷與中尺度對流系統(tǒng)。介紹中尺度模式是什么？它們?yōu)槭裁从杏茫?3中尺度氣象研究內(nèi)容中尺度氣象研究內(nèi)容24中尺度現(xiàn)象中尺度現(xiàn)象25中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件26中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件27中尺度模式通常是有限區(qū)域模式中尺度模式通常是有限區(qū)域模式28地球模擬器性能相當(dāng)于20萬臺個人電腦在試運(yùn)行中，將地表分割為大約10公里見方的區(qū)域，模擬大氣及海流的變化情況。模擬地球上1天的大氣流動，只用40分鐘。地球模擬器性能相當(dāng)于20萬臺個人電腦29中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件30中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件31中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件32中尺度模式結(jié)果的重要性

取決于研究現(xiàn)象的尺度中尺度模式結(jié)果的重要性

取決于研究現(xiàn)象的尺度33中尺度模式通常能提供天氣現(xiàn)象的更多細(xì)節(jié)

特別是在山地與海岸地區(qū)中尺度模式通常能提供天氣現(xiàn)象的更多細(xì)節(jié)

特別是在山地與海岸地34介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率介紹介紹35中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件36對于一種特定的現(xiàn)象需要多大的水平格距？對于一種特定的現(xiàn)象需要多大的水平格距？37例子1MontereyBaywindeddies例子1MontereyBay38例子2例子239一個實(shí)際例子一個實(shí)際例子40水平格距的縮小會成倍地增加計(jì)算量！水平格距的縮小會成倍地增加計(jì)算量！41采用嵌套技術(shù)既提高分辨率又節(jié)約計(jì)算量10km3km1km采用嵌套技術(shù)既提高分辨率又節(jié)約計(jì)算量10km3km1k42介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率介紹介紹43垂直方向上需要多少層？垂直方向上需要多少層？44垂直分層的原則垂直分層的原則45不同的模式有不同的垂直坐標(biāo)系統(tǒng)不同的模式有不同的垂直坐標(biāo)系統(tǒng)46中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件47介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力介紹介紹48幾乎所有譜模式與大多數(shù)格點(diǎn)模式

采用流體靜力假設(shè)！但是……流體靜力假設(shè)適用于天氣尺度，全球尺度以及一些中尺度系統(tǒng)水平尺度與垂直尺度相當(dāng)，必須考慮流體非靜力。如重力波、強(qiáng)對流系統(tǒng)。幾乎所有譜模式與大多數(shù)格點(diǎn)模式

采用流體靜力假設(shè)！但是……流49流體非靜力可以直接預(yù)報(bào)垂直運(yùn)動導(dǎo)致的現(xiàn)象，而流體靜力只能推斷……流體非靜力可以直接預(yù)報(bào)垂直運(yùn)動導(dǎo)致的現(xiàn)象，而流體靜力只能推斷50流體非靜力模式多出一個預(yù)報(bào)方程

多數(shù)流體非靜力模式基于垂直高度z流體非靜力模式多出一個預(yù)報(bào)方程

多數(shù)流體非靜力模式基于垂直高51介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化介紹介紹52水平分辨率不可能無限地小……水平分辨率不可能無限地小……53有些物理過程我們還沒有弄懂……有些物理過程我們還沒有弄懂……54有些物理過程太復(fù)雜……有些物理過程太復(fù)雜……55中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件56有些物理過程的影響必須考慮……有些物理過程的影響必須考慮……57介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化介紹介紹58邊界條件邊界條件59中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件60初始條件初始條件61時變側(cè)邊界條件時變側(cè)邊界條件62中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件63介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式介紹介紹64高分辨率、流體非靜力中尺度模式

MM5,RAMS,WRF高分辨率、流體非靜力中尺度模式

MM5,RAMS,WRF65Forecastersshouldbeawarethat

thedetailedforecastsgeneratedbymesoscalemodelsareoftenbestusedasguidelinesforwhatmayoccur,withtheknowledgethatthelocationandtimingmayhaveconsiderableerror.

Forecastersshouldbeawareth66初始時刻模式分析與觀測的對比初始時刻模式分析與觀測的對比67模式預(yù)報(bào)與觀測的對比模式預(yù)報(bào)與觀測的對比68細(xì)網(wǎng)格結(jié)果往往與粗網(wǎng)格有“很大的區(qū)別”？細(xì)網(wǎng)格結(jié)果往往與粗網(wǎng)格有“很大的區(qū)別”？69降水預(yù)報(bào)仍是個難題！降水預(yù)報(bào)仍是個難題！70介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹水平分辨率垂直分辨率流體靜力與流體非靜力參數(shù)化邊界條件與初值化使用中尺度模式三個問題介紹介紹711：中尺度模式地面預(yù)報(bào)比高空預(yù)報(bào)結(jié)果好？2：怎么確定模式初值場的好壞？3：中尺度模式預(yù)報(bào)精度比全球模式下降要快？1：中尺度模式地面預(yù)報(bào)比高空預(yù)報(bào)結(jié)果好？72理解與認(rèn)識關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的10個常見錯誤概念！TenCommonNWPMisconceptions理解與認(rèn)識關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的10個常見錯誤概念！7310個常見錯誤概念分析必須與觀測一致高分辨率可解決一切問題地表?xiàng)l件已經(jīng)精確給定對流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對流降水能預(yù)報(bào)好天氣系統(tǒng)就意味也能預(yù)報(bào)好對流數(shù)值預(yù)報(bào)模式能直接預(yù)報(bào)近地面變量晴天情況下的輻射影響很容易處理20km的格距能分辨特征長度為40km的現(xiàn)象一旦模式改進(jìn)，MOS預(yù)報(bào)會隨之改進(jìn)模式的輸出診斷必須用到每一個格點(diǎn)的值10個常見錯誤概念分析必須與觀測一致741：分析必須與觀測一致

（00h預(yù)報(bào)應(yīng)該與觀測非常接近）應(yīng)該考慮模式格點(diǎn)的離散性！1：分析必須與觀測一致

（00h預(yù)報(bào)應(yīng)該與觀測非常接近）應(yīng)該75中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件762：高分辨率可解決一切問題2000年12月30日風(fēng)暴造成的總降水分布分辨率的提高能改進(jìn)降水預(yù)報(bào)結(jié)果！2：高分辨率可解決一切問題2000年12月30日風(fēng)暴分辨率的77又一個好例子又一個好例子78一個壞例子一個壞例子79中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件803：地表?xiàng)l件已經(jīng)精確給定3：地表?xiàng)l件已經(jīng)精確給定81地表植被與地形高度地表植被與地形高度82植被的逐月變化植被的逐月變化83植被的重要性植被的重要性84中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件854：對流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對流降水4：對流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對流降水86對流參數(shù)化的主要目的是……考慮模式格點(diǎn)不能分辨的對流活動對格點(diǎn)的影響（反饋）對流參數(shù)化的主要目的是……考慮模式格點(diǎn)不能分辨的對流活動對格87中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件88模式

格點(diǎn)

內(nèi)部

對流

實(shí)際

情況

與

模式

預(yù)報(bào)

情況

對比無參數(shù)化模式

格點(diǎn)

內(nèi)部

對流

實(shí)際

情況

與

模式

預(yù)報(bào)

情況

對895：能預(yù)報(bào)好天氣系統(tǒng)就意味也能預(yù)報(bào)好對流蘇格拉底說：“人總是要死的，我是人，所以我也要死的。”即使天氣形勢及其特征被預(yù)報(bào)得相當(dāng)準(zhǔn)確，對流有關(guān)預(yù)報(bào)如降水、溫度、濕度、風(fēng)與氣壓可能很離譜！

5：能預(yù)報(bào)好天氣系統(tǒng)就意味也能預(yù)報(bào)好對流蘇格拉底說：90中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件91積云（對流）參數(shù)化非常重要，但是……積云（對流）參數(shù)化非常重要，但是……92中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件936：數(shù)值預(yù)報(bào)模式能直接預(yù)報(bào)近地面變量6：數(shù)值預(yù)報(bào)模式能直接預(yù)報(bào)近地面變量94模式地面2m溫度的計(jì)算模式地面2m溫度的計(jì)算95有地形存在時，數(shù)值預(yù)報(bào)模式更難預(yù)報(bào)近地面變量！有地形存在時，數(shù)值預(yù)報(bào)模式更難預(yù)報(bào)近地面變量！96不同的模式計(jì)算地面變量區(qū)別很大不同的模式計(jì)算地面變量區(qū)別很大97中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件987：晴天情況下的輻射影響很容易處理7：晴天情況下的輻射影響很容易處理99必須考慮云的影響必須考慮云的影響100中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件101中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件102為什么輻射不能被很好地處理1：層平均2：平均變量3：云類型判斷不準(zhǔn)4：影響地面，從而影響邊界層，……5：輻射計(jì)算很耗計(jì)算時間，因此模式通常每個一段時間才計(jì)算一次為什么輻射不能被很好地處理1：層平均1038：20km的格距能分辨特征長度為40km的現(xiàn)象8：20km的格距能分辨特征長度為40km的現(xiàn)象104理想情況實(shí)際情況結(jié)論：20km分辨率一般連具有80km特征尺度的現(xiàn)象都不能很好地分辨！理想情況實(shí)際情況結(jié)論：105中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件106分辨率決定對不同特征尺度現(xiàn)象的模擬能力分辨率決定對不同特征尺度現(xiàn)象的模擬能力1079：一旦模式改進(jìn)，MOS預(yù)報(bào)會隨之改進(jìn)9：一旦模式改進(jìn)，MOS預(yù)報(bào)會隨之改進(jìn)108線性回歸卡爾曼濾波……線性回歸109中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件110中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式ppt課件111如果MOS預(yù)報(bào)方程不更新，會造成MOS預(yù)報(bào)結(jié)果反而變壞MOS預(yù)報(bào)往往不能適應(yīng)“新情況”

一旦模式改進(jìn)，1：模式改進(jìn)2：異常情況3：沒有考慮中尺度特征……如果MOS預(yù)報(bào)方程不更新，會造成MOS預(yù)報(bào)結(jié)果一旦模式改進(jìn)，11210：模式的輸出診斷必須用到每一個格點(diǎn)的值20km分辨率10：模式的輸出診斷必須用到每一個格點(diǎn)的值20km分辨率11340km分辨率（=2×20km）40km分辨率（=2×20km）11480km分辨率（=4×20km）80km分辨率（=4×20km）115垂直分辨率的影響垂直分辨率的影響116挑戰(zhàn)與展望提高分辨率！挑戰(zhàn)與展望提高分辨率！117改進(jìn)參數(shù)化方案！改進(jìn)參數(shù)化方案！118加強(qiáng)數(shù)據(jù)同化！Lorenz系統(tǒng)觀測數(shù)