数值天气预报

1、数值天气预报简介数值天气预报简介贾英来贾英来数值天气预报基础（大三下）数值天气预报基础（大三下）数值天气预报模式（大四上）数值天气预报模式（大四上）在给定的初始条件下通过数值积分描写大气在给定的初始条件下通过数值积分描写大气运动的方程组而得到的未来某一时刻大气环运动的方程组而得到的未来某一时刻大气环流状况和气象要素的分布流状况和气象要素的分布数值天气预报的定义：数值天气预报的定义：Numerical Weather Prediction(NWP)数值预报课数值预报课求解偏微分方程数值预报数值模拟通过学习数值天气预报：通过学习数值天气预报：编写简单数值模式：编写简单数值模式：求解微分方程组求解微

2、分方程组帮助分析理解大气帮助分析理解大气- -海洋运海洋运动规律动规律验证新的理论，进行科学研究验证新的理论，进行科学研究利用数值模式：利用数值模式：对大气对大气- -海洋进行数值模拟，再现过去的大气海洋进行数值模拟，再现过去的大气- -海洋现象，验证关于大气海洋现象，验证关于大气- -海洋变化规律的猜想，海洋变化规律的猜想，进行科学研究进行科学研究根据已知的观测数据，计算和预报未来的天气根据已知的观测数据，计算和预报未来的天气状况，得出数值天气预报结果，结合天气图、云状况，得出数值天气预报结果，结合天气图、云图等进行天气预报图等进行天气预报数值模式的应用实例数值模式的应用实例：1. 1. 大

3、气大气RossbyRossby波：波：100012001400160018005006007008009001000110012001300 x-direction indexesy-direction indexes第一层厚度和流速各试验中涡旋移动轨迹Cd=0.002Cd=0.001Cd=0windNof and Jia, 20112. 2. 风应力驱动下的海洋涡旋运动风应力驱动下的海洋涡旋运动2004年冬季的一个反气旋涡脱落过程(HYCOM资料) 反气旋涡从黑潮中脱落后以约10cm/s的速度西移 Jia and Chassignet(2011)3. 3.高分辨率海洋模式对海平面高度的数值模

4、拟高分辨率海洋模式对海平面高度的数值模拟4. 4. 高分辨率区域大气模式的雷暴数值预报结果高分辨率区域大气模式的雷暴数值预报结果5. 5. 高分辨率区域大气模式的风场及垂直切变高分辨率区域大气模式的风场及垂直切变数值天气预报的优势：数值天气预报的优势：能够得到精确的，定时定点的气象数据，能够得到精确的，定时定点的气象数据，能够得到观测无法直接获得（或难以获能够得到观测无法直接获得（或难以获得）的各类大气运动变量（如涡度、散得）的各类大气运动变量（如涡度、散度、垂直运动速度等）度、垂直运动速度等）对抛物线运动轨迹我们现在就可以粗略进行对抛物线运动轨迹我们现在就可以粗略进行数值预报：数值预报：抛物

5、线运动抛物线运动计算抛物运动轨迹：计算抛物运动轨迹：udtdxtudtxttt0)(00)(tututxtt10nnxdtuxX方向：解析解：数值解：t0Nnn+1时间轴离散化：计算抛物运动轨迹：计算抛物运动轨迹：vdtdygdtdvy方向：解析解：数值解：221)(gtty1nnvgdtv11nnnydtvy抛物运动轨迹抛物运动轨迹- -数值计算结果数值计算结果010002000300040005000600070008000010002000300040005000600070008000抛物运动轨迹抛物运动轨迹- -解析解（蓝星）解析解（蓝星）注意误差010002000300040005

6、000600070008000010002000300040005000600070008000为什么数值解（粉色）比解析解（蓝色）得到的y值小？而x却没有差异？误差误差! ! 误差误差! !1.微分=差分 存在误差2.时间积分=迭加 存在误差3.txdtdx1nnvgdtv11nnnydtvyvdtdygdtdv221)(gtty数值天气预报的局限性：数值天气预报的局限性：各类数值模式均存在误差（差分方程的误各类数值模式均存在误差（差分方程的误差，时间积分的误差，初始条件、边界条件差，时间积分的误差，初始条件、边界条件带来的误差带来的误差）因分辨率及各类参数的取值不同，不同模因分辨率及各类参

7、数的取值不同，不同模式适用于不同的预报目的式适用于不同的预报目的实际预报时，必须和天气图、云图等结合，实际预报时，必须和天气图、云图等结合，经过预报员的分析才能够完成天气预报经过预报员的分析才能够完成天气预报天气预报制作流程：天气预报制作流程：第一步：要看天气实况资料。包括：天气图、云图、雷达图第二步：需要运用天气学原理，利用各种数值预报，形成自己的预报结论。第三步：会商。通过收看和参与全国、省内和本局的天气会商，群策群力得出最后的预报结论。第四步：将预报结论按照不同用户的要求，做成不同的预报产品，按照不同的渠道分发出去。在给定的初始条件下通过数值积分描写大气在给定的初始条件下通过数值积分描写

8、大气运动的方程组而得到的未来某一时刻大气环运动的方程组而得到的未来某一时刻大气环流状况和气象要素的分布流状况和气象要素的分布数值天气预报的定义：数值天气预报的定义：Numerical Weather Prediction(NWP)数值天气预报基础内容纲要数值天气预报基础内容纲要1. 1. 大气运动基本方程组，大气运动基本方程组，P P、 坐标系下的方程组；坐标系下的方程组；2. 2. 地图投影，地图投影坐标系；地图投影，地图投影坐标系；3. 3. 微分方程（大气运动方程组）的离散化微分方程（大气运动方程组）的离散化差分方法；差分方法；求解大气运动方程组得到未来时刻的气象要素值求解大气运动方程组

9、得到未来时刻的气象要素值时间时间积分方案；积分方案；4. 4. 差分方程的几种性质；差分方程的几种性质；5. 5. 离散化和数值积分时会遇到的问题离散化和数值积分时会遇到的问题有限网格下误有限网格下误差及三层时间格式的计算解；差及三层时间格式的计算解；6. 6. 非线性计算不稳定性质；非线性计算不稳定性质；7. 7. 平滑和过滤；平滑和过滤； （各部分均有对应的上机实习课）（各部分均有对应的上机实习课）目的：目的：掌握数值模式的框架及结构，能够编写掌握数值模式的框架及结构，能够编写简单模式简单模式, , 进行数值预报进行数值预报主要内容：主要内容：1. 数值模式定义及分类数值模式定义及分类2.

10、 2. 准地转正压模式：预报方程及物理性质，差准地转正压模式：预报方程及物理性质，差分方程及数值解法分方程及数值解法( (泊松方程及迭代解法泊松方程及迭代解法) )3. 3. 准地转正压模式的编程及预报（准地转正压模式的编程及预报（上机实习上机实习）数值天气预报模式内容纲要数值天气预报模式内容纲要4. 正压原始方程模式：正压原始方程模式所描述正压原始方程模式：正压原始方程模式所描述的物理过程；能量守恒的空间差分格式；差分的物理过程；能量守恒的空间差分格式；差分格式和地转适应；时间积分方案及数值解法格式和地转适应；时间积分方案及数值解法5. 5. 边界条件，初始条件，四维同化方法边界条件，初始条

11、件，四维同化方法6. 6. 正压原始方程模式的编程及预报（正压原始方程模式的编程及预报（上机实习）上机实习）7. 7. 斜压原始方程模式简介斜压原始方程模式简介( (次网格过程和参数化方次网格过程和参数化方法法) )数值天气预报模式内容纲要数值天气预报模式内容纲要数值预报产品在业务预报中的地位对于降水预报而言,预报员的综合预报技巧主要在短期时效内有效，而对中期时效的预报,预报员已没有明显的预报技巧271. 数值预报现状数值预报现状我国目前使用的大气预报模式：我国目前使用的大气预报模式：HLAFS：针对影响我国的天气系统（尤其是暴雨过程），短期数值天气预报系统，水平分辨率：55公里。全国及周边东

12、亚地区。2天内每 12小时的短期天气变化预报，提供降水、温度、大风等天气要素的短期天气的预报T213：第四代全球中期数值天气预报系统（英文缩写为 T213L31），国家气象中心研制，于2002年9月1日起投入业务使用。全球模式，预报时效：10天，水平分辨率：60公里，垂直分辨率：31层（），预报大气环流演变近年来分辨率和物理过程不断改进，如T639L601. 数值预报现状数值预报现状29T213模式的预报时效1. 数值预报现状数值预报现状MM5：1995年引进，PSU/NCAR的MM5中尺度模式：北京区域中心所属省区气象台，36小时预报，6-54公里，垂直分辨率小于一公里。预测未来 12-36

13、小时每3小时、水平相距 6-54公里的不同地点的天气变化情况台风模式：专门用于热带气旋（包括台风）预报的数值预报系统，于 1996年5月正式投入业务运行。其预报模式的水平分辨率约为50公里，预报区域覆盖西北太平洋及中国南海。1. 数值预报现状数值预报现状GRAPES全球和区域多尺度通用资料同化与数值预报系统改变现有多个数值天气预报系统并存,造成业务系统运行维护、改进、发展成本高和时间周期长的局面,核心技术包括三维变分同化,并可向四维变分同化拓展;半半隐式隐式半拉格朗日时间积分方案半拉格朗日时间积分方案;可自由组合的、优化的物理过程参数化方案;全球、区域一体化的同化与预报系统;标准化、模块化、并

14、行化并行化的同化与模式程序目前GRAPES-Meso区域中尺度预报系统(2.0版本)正式投入使用,GRAPES-Global全球模式正在完善中1. 数值预报现状数值预报现状数值天气预报发展方向：集合预报：集合预报：集合预报方法是把数个由少许不同的初值计算得到的数值预报加以平均，作为预报，一定程度上消除非线性系统因为初值敏感性而产生的误差资料的四维同化：资料的四维同化：是数值预报的关键技术之一。变分同化技术的优点之一是可以直接地、更多地同化应用非常规资料,如卫星资料、雷达资料、中尺度观测网资料等。这对常规观测稀少的洋面、高原、荒漠地区尤为重要同化技术从最优插值法进化到三维变分法1. 数值预报现状

15、数值预报现状数值天气预报产品应用有三个方面：以大尺度数值预报的结果作为边界和初始条件，利用中尺度数值预报模式进行区域的或局部地区的中尺度天气预报；通过人机结合，由预报员根据天气学原理或统计数据，对数值预报产品进行人工订正，从而对天气形势做出诊断分析；以数值预报产品作预报因子，用统计学方法进行气象要素预报，如模式输出统计方法（MOS）、完全预报方法（PP）、卡尔曼滤波方法、天气-动力-统计方法（MED）等等。（数值预报和统计预报相结合）332. 数值预报产品应用数值预报产品应用天气预报分两步：一，预报大尺度环流，二，对其进行解释，转换成指定地区具体的天气预报局地预报有两种方法：一种是运行高分辨率的数值模式，一种是将大尺度环流数模结果和局地观测间建立统计关系，用统计关系进行预报342. 数值预报产品应用数值预报产品应用1. 完全预报方法（PPM perfect prog method）先根据观测资料建立大尺度环流和局地气象要素间的统计关系，再以数值预报的输出结果取代观测的大尺度环流信息，进行预报2. 模式输出统计方法（MOS model output statistics)以数值模式输出结果为基础建立统计预报方程，优点：在建立统计预报方程时考虑了模式系统误差，预报精度高，还能够引入天气图中没有的预报因子，如垂直速度，三维空气轨迹等352. 数值预报产品应