数值天气预报实习报告

课程名称 数值天气预报课程名称 数值天气预报 姓姓 名 名 班班 级 级 学学 号 号 正压原始方程实习报告正压原始方程实习报告 1 实习目的与要求实习目的与要求 通过正压原始方程模式的实习 加深理解该章所学的基本内容 掌握当今 制作数值天气预报的一般方法和主要步骤 并在数值计算 编制程序和上机操 作等方面得到进一步训练 以 1973 年 4 月 29 日 08 时 北京时 我国东北 华 北地区 500hPa 等压面位势高度场及地转风场作为初值 采用固定的水平侧边界 条件 应用正压原始方程二次守恒平流格式的模式 制作未来 24 小时有限区域 500hPa 位势高度场和风场的预报 并写一份实习报告 2 2 模式的主要计算框图 模式的主要计算框图 基本假定 基本假定 a 大气是均匀不可压流体 b 大气处于静力平衡状态 c 上边界为自由面 d 无摩擦和绝热过程 e 正压大气 基本方程 基本方程 y v x u y v x u t y fu p v w y v v x v u t v x fv p u w y u v x u u t u 0 0 地转风公式 x z f gm vv y z f gm uu t ji ji ji jii j ji ji ji jii j 0 0 0 0 0 技术方法 技术方法 1 为了减小模式中重力惯性外波的波速 增加差分格式的计算稳定性 把连 续方程中水平散度项的系数 z 改为 z z0 并取 250dagpm 2 时间积分方案选择 先采用欧拉 后差格式数值积分 1 小时 然后采用三 步法起步的时间中央差格式数值积分 11 小时 3 边界采用 9 点空间平滑 积分 12h 后采用 5 点平滑对个要素场进行内点空 间滤波 五点平滑公式为 4 4 1 11 1 jijijijijiji xy ji FFFFF S FF 4 为了阻尼高频振荡 抑制计算解的增长 在积分 6 小时之后的两个连续时 间层应用时间平滑公式对个要素进行时间平滑 5 应用二次平流守恒格式的正压原始方程模式 3 实习任务 实习任务 1 编写两个子程序 五点平滑子程序 地转风初值子程序 2 子程序编写完成并保证正确的前提下 做 4 个数值试验 只做正平滑和做正逆平滑的对比试验 地转风子程序中不同差分格式的数值试验 是否做边界平滑的数值试验 是否做时间平滑的数值试验 注意 在原始方程模式中既包含有缓慢移动的大气长波 又有快速移动的重力惯 性波 因此 这种模式不但可以模拟准地转演变过程 而且还可以模拟地转适 应过程 虽然此模式比准地转模式能更好的描述实际大气中的物理过程 但是 在这种模式的数值积分中也出现了一些新的待解决的问题 原始方程模式中包含有快波解 为保证计算稳定 时间步长必须取得很短 这就大大增加了计算工作量 因此 选取既能保证计算稳定 又能节省计算机 时的时间积分方案 便成为一个很重要的问题 由于原始方程模式中时间步长必须取得很短 所以非线性计算不稳定的问 题就显得尤为突出 因此 构造性能良好的空间差分格式也就成为一个很重要 的问题 原始方程模式要求给出多个初始条件 除了要给出初始气压场 位势高度 场 外 还必须给出初始风场等资料 如果初始风压场不协调 则在积分过程 中就会产生虚假的重力惯性波 这种虚假的重力惯性波会迅速增长 把天气尺 度的波动掩盖掉 使预报遭到破坏 因此 资料的初始化也是一个相当重要的 问题 原始方程模式对边界条件也尤为敏感 要求给出适当的边界条件也很重要 4 程序如下程序如下 1 地转风 subroutine cgw ua va za rm f d m n dimensionua m n va m n za m n rm m n f m n do i 2 m 1 do j 2 n 1 ua i j 1 rm i j 9 8 za i j 1 za i j 1 2 d f i j va i j rm i j 9 8 za i 1 j za i 1 j 2 d f i j enddo enddo return end 2 5 点平滑 subroutine ssip a w s m n k l dimension a m n w m n if l 1 then do i 2 m 1 do j 2 n 1 w i j a i j s a i 1 j a i 1 j a i j 1 a i j 1 4 a i j 4 0 enddo enddo do i 2 m 1 do j 2 n 1 a i j w i j enddo enddo return else do i 2 m 1 do j 2 n 1 w i j a i j s a i 1 j a i 1 j a i j 1 a i j 1 4 a i j 4 0 enddo enddo do i 2 m 1 do j 2 n 1 a i j w i j enddo enddo do i 2 m 1 do j 2 n 1 w i j a i j s a i 1 j a i 1 j a i j 1 a i j 1 4 a i j 4 0 enddo enddo do i 2 m 1 do j 2 n 1 a i j w i j enddo enddo endif return end 五 试验结果 图形 及其分析五 试验结果 图形 及其分析 1 30 日预报场分析 图 1 初始场 图 2 预报场 2 只做正平滑和做正逆平滑的对比试验 图 3 预报场 五点正逆平滑 图 4 预报场 五点正平 滑 3 地转风子程序中不同差分格式的数值试验 图 5 初始场 后差地转风子程序 图 6 初始场 前插地转风子程 序 图 7 预报场 前插地转风子程序 图 8 预报场 后插地转风子程 序 图 10 预报场 无时间平滑 图 9 预报场 无边界平 滑 结果分析 结果分析 由图一和图二 图三和图四 我们可以清楚的看到 4 月 29 日 08 时在鄂 霍次克海的西岸 有一个大的低压中心 其中心强度达到 5250 在贝加尔湖附 近有一条大的低压槽 4 月 30 日 08 时 在预报场上 鄂霍次克海西岸的低压 向东移动 到达鄂霍次克海的上空 中心强度达到 5200 比 29 日加强 贝加 尔湖的低压槽向南 向东移动 可能造成一次冷空气的南下过程 我们拿 30 日的预报场与 30 日的实况场 书本上 做一下对比 可以看到 预报场的低压中心偏北大概偏 5 个纬距左右 有较大的偏差 模拟效果很不好 但是 贝加尔湖附近的低压槽预报场与实况场非常的近似 故而模拟效果较好 而我们需要做对中国的预报 影响系统主要是贝加尔湖地区的低压槽影响 所 以对整个预报来说 还是有很好的参考价值的 5 小结小结 通过此次实习加强了对 Fotran 语言编程和 GrADS 绘图的熟悉以及使用 是 以后的工作生活中能够更加熟练的使用它们 同时也加强了对正压原是方程的 了解 以及五点平滑 与地转风的计算 加深了对数值天气预报这门课的了解 与掌握 此次接触到的正压原始方程模式 算是个比较简单的模式 由于在 500hPa