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(guó)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(shí)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(cè)：中國(guó)人最早開始有規(guī)律地記載對(duì)氣象的觀察。遠(yuǎn)在公元前1300年的殷商時(shí)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(duì)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(huì)有滂沱大雨。”古羅馬詩(shī)人維吉爾在《農(nóng)事詩(shī)》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。”諺語：羅馬人與青蛙4現(xiàn)代氣象學(xué)天氣——戰(zhàn)場(chǎng)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(zhēng)（1346，1415，大雨）拿破侖進(jìn)攻俄國(guó)、滑鐵盧之戰(zhàn)（1788，大雨、大冰雹）忽必烈攻打日本（1274，1281，臺(tái)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(chǎng)強(qiáng)烈的風(fēng)暴使法軍的亨利四世號(hào)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(gè)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(chǎng)決勝的因素5監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立法國(guó)設(shè)立監(jiān)測(cè)網(wǎng)（最初有24個(gè)，其中13個(gè)以電報(bào)互相聯(lián)系）；至1865年，整個(gè)歐洲氣象網(wǎng)有59個(gè)站。觀測(cè)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(cè)網(wǎng)的建立法國(guó)設(shè)立監(jiān)測(cè)網(wǎng)（最初有24個(gè)，其中13個(gè)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(duì)地面風(fēng)，順時(shí)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(shí)變邊界條件動(dòng)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(shí)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(chǎng)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(gè)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(duì)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?jī)?nèi)容中尺度氣象研究?jī)?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(tái)個(gè)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(dòng)，只用40分鐘。地球模擬器性能相當(dāng)于20萬臺(tái)個(gè)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(gè)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(duì)于一種特定的現(xiàn)象需要多大的水平格距？對(duì)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(gè)實(shí)際例子一個(gè)實(shí)際例子40水平格距的縮小會(huì)成倍地增加計(jì)算量！水平格距的縮小會(huì)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(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)變側(cè)邊界條件時(shí)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(gè)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(shí)刻模式分析與觀測(cè)的對(duì)比初始時(shí)刻模式分析與觀測(cè)的對(duì)比67模式預(yù)報(bào)與觀測(cè)的對(duì)比模式預(yù)報(bào)與觀測(cè)的對(duì)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(gè)難題！降水預(yù)報(bào)仍是個(gè)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(gè)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(gè)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(chǎng)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(shí)關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的10個(gè)常見錯(cuò)誤概念！TenCommonNWPMisconceptions理解與認(rèn)識(shí)關(guān)于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的10個(gè)常見錯(cuò)誤概念！7310個(gè)常見錯(cuò)誤概念分析必須與觀測(cè)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(duì)流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對(duì)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(duì)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(zhǎng)度為40km的現(xiàn)象一旦模式改進(jìn)，MOS預(yù)報(bào)會(huì)隨之改進(jìn)模式的輸出診斷必須用到每一個(gè)格點(diǎn)的值10個(gè)常見錯(cuò)誤概念分析必須與觀測(cè)一致741：分析必須與觀測(cè)一致

（00h預(yù)報(bào)應(yīng)該與觀測(cè)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(cè)一致

（00h預(yù)報(bào)應(yīng)該與觀測(cè)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(gè)好例子又一個(gè)好例子78一個(gè)壞例子一個(gè)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(duì)流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對(duì)流降水4：對(duì)流參數(shù)化的主要目的就是預(yù)報(bào)對(duì)流降水86對(duì)流參數(shù)化的主要目的是……考慮模式格點(diǎn)不能分辨的對(duì)流活動(dòng)對(duì)格點(diǎn)的影響（反饋）對(duì)流參數(shù)化的主要目的是……考慮模式格點(diǎn)不能分辨的對(duì)流活動(dòng)對(duì)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(duì)流

實(shí)際

情況

與

模式

預(yù)報(bào)

情況

對(duì)比無參數(shù)化模式

格點(diǎn)

內(nèi)部

對(duì)流

實(shí)際

情況

與

模式

預(yù)報(bào)

情況

對(duì)895：能預(yù)報(bào)好天氣系統(tǒng)就意味也能預(yù)報(bào)好對(duì)流蘇格拉底說：“人總是要死的，我是人，所以我也要死的?！奔词固鞖庑蝿?shì)及其特征被預(yù)報(bào)得相當(dāng)準(zhǔn)確，對(duì)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(duì)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(duì)流）參數(shù)化非常重要，但是……積云（對(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)間，因此模式通常每個(gè)一段時(shí)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(zhǎng)度為40km的現(xiàn)象8：20km的格距能分辨特征長(zhǎng)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(duì)不同特征尺度現(xiàn)象的模擬能力分辨率決定對(duì)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(huì)隨之改進(jìn)9：一旦模式改進(jìn)，MOS預(yù)報(bào)會(huì)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(huì)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(huì)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(gè)格點(diǎn)的值20km分辨率10：模式的輸出診斷必須用到每一個(gè)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(cè)數(shù)