中小尺度天气动力学及数值模拟教学进度表-new
中尺度大气数值模拟及其进展
中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟是指对中尺度大气运动、湍流、边界层、云微物理、辐射传输等过程进行数值模拟的一种方法。
近年来，随着计算机技术的快速发展和观测技术的不断进步，中尺度大气数值模拟的研究已经取得了许多重要的进展，对于气象预报、气候变化研究和环境污染预测等方面都起到了重要的作用。
中尺度大气数值模拟的目标是通过计算空间和时间上的大量物理量，来模拟和预测中尺度大气运动过程。
中尺度大气运动是指介于大尺度天气系统和小尺度湍流系统之间的系统，其典型特征是空间尺度在几十公里到几百公里之间，时间尺度在几分钟到几小时之间。
中尺度大气运动包括了许多重要的现象，如大气锋面、对流云团、飑线等，对于气象预报和气候变化研究具有重要的意义。
中尺度大气数值模拟的基本原理是通过数值方法将大气方程离散化，并通过数值解算得到大气运动的演化过程。
其中，最常用的模型是基于Navier-Stokes方程的大气动力学模型，通过有限差分、谱方法等数值技术对方程进行求解。
此外，为了更好地模拟大气过程，中尺度大气数值模拟还必须考虑到湍流的影响，湍流参数化是其中的关键技术之一。
近年来，随着计算机技术的不断进步，中尺度大气数值模拟的能力也得到了极大的提高。
传统的数值模拟方法需要通过将整个大气划分成若干个网格，然后分别对每个网格进行计算，这种方法在计算量和存储空间上都有较大的挑战。
为了克服这些问题，新型的数值模拟方法应运而生，如有限元方法、有限体积方法和伪谱法等。
这些方法可以更好地处理复杂的地形、不均匀的边界条件和非线性问题，提高了数值模拟的计算效率和精度。
除了数值方法的发展，观测技术的进步也为中尺度大气数值模拟提供了更多的观测数据，从而提高了数值模拟的准确性和可靠性。
现代大气观测技术，如雷达、卫星和飞机观测等，可以提供高时空分辨率的大气观测数据，在验证和改进数值模拟模型方面发挥重要作用。
此外，数据同化技术的应用也为中尺度大气数值模拟提供了新的思路和方法，通过将观测数据与数值模拟结果进行融合，可以进一步提高数值模拟的准确性和预报能力。
中小尺度天气动力学课件 第1章+中尺度数值模拟-绪论
中尺度数值模拟—第一章
α中尺度 β中尺度
突发性强对流天气演变机 理和监测预报技术研究
γ中尺度
1.1中尺度天气及重要性
乳山个例 12小时 时段强降 水预报图
中尺度数值模拟—第一章
北京
山东 半岛
南京
基于15km粗网格数值模式
“今天下午，本市局部 地区有时有雷阵雨”
设置专门的中尺度观测网 。如美国在1966年就设置了中尺度观测 网，高空站距28km，每隔1.5h或3h施放一次探空仪，地面站距20-30km。 日本、瑞典、英国、法国、加拿大等国家也建立了试验监测网。
我国也分别在京津冀、长江三角洲、武汉和珠江三角洲四个地区 建立起中尺度监测网，设置了一定数量的自动地面站。
CISP （英国，2007）
TOMACS （日本，2010-2013）
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)
观测雷达回波
观测
高分辨率(1km)实时试验预报
预报
1.1中尺度天气及重要性
三个国家重点基础研究发 展计划“973”项目
我国重大天气灾害的形成 机制和预测理论研究
需要定时、定点、定量
1.1中尺度天气及重要性
研究方法
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测 野外观测实验 中小尺度天气分析 模式的发展及应用 动力学研究
1.1中尺度天气及重要性
中尺度数值模拟—第一章
新的探测工具的使用和加密观测：
雷达、卫星、新型飞机、大气风廓线仪 ，另外也利用声雷达、激 光雷达、微波辐射仪、灵敏微压计、天电观测等 。
中尺度数值模拟—第一章
2023年秋学期北师大版初中物理八年级上册教学进度表
中秋节、国庆节假期
9.29——10.06
6
10.07——10.08
物体的尺度及其测量
物体的质量及其测量
2
7
10.09——10.13
学生实验：探究——物质的密度Biblioteka 新材料及其应用38
10.16——10.20
本章复习与测试
3
9
10.23——10.27
运动与静止
探究——比较物体运动的快慢
3
10
10.30——11.03
2023——2024学年度北师大版初中物理
八年级上册教学进度表
周次
时间
教 学 内 容
周课时数
备注
1
9.01
走进物理世界
1
2
9.04——9.08
物态及其变化
物态变化 温度
3
3
9.11——9.15
熔化和凝固
汽化和液化
3
4
9.18——9.22
升华和凝华
生活和技术中的物态变化
3
5
9.25——9.28
本章复习与测试
平均速度与瞬时速度
平均速度的测量
3
11
11.06——11.10
期中复习、期中测试
3
12
11.13——11.17
声音的产生与传播
乐音
3
13
11.20——11.24
噪声与环保
声现象在科技中的应用
3
14
11.27——12.01
本章复习与测试
3
15
12.04——12.08
光的传播
3
16
12.11——12.15
光的反射
中尺度天气系统的特征
26
END
27
10
1. 早期的经验分类
天气系统——大尺度、中尺度和小尺度 空间尺度分别为：106m、105m和104m 时间尺度对应为：105s、104s和103s
11
2. 依据物理本质对天气系统进行分类
（动力学分类方法）
• Emanuel（1983）依据无量纲数罗斯贝数Ro和拉格朗日
时间尺度T的尺度分类，其中 Ro 2 fT
在西风切变环境中典型涡 管与对流单体相互作用的 示意图
(a) 初始阶段：此时涡管在上 升气流的作用下形成一对涡偶
(b) 分裂阶段：此时分裂的上 升气流使得涡管向下倾斜， 形 成下沉气流，出现两对涡偶。
其中左上角图示为环境风分布、 柱状箭头表示风暴相对气流的 方向，粗实线代表涡线，环状 箭头表示旋转，阴影箭头表示 促使上升气流和下沉气流发展 的外力，垂直方向上的虚线区 为降水区。
1) 空间尺度范围广，生命周期跨度大； 2) 气象要素梯度大； 3) 散度、涡度与垂直速度； 4) 非地转平衡和非静力平衡； 5) 质量场和风场的适应； 6) 小概率和频谱宽、大振幅事件
16
中尺度大气运动的基本特征
1）空间尺度范围广，生命周期跨度大 按照Orlanski的划分标准，中尺度系统的水
平尺度在2km～2000km之间，时间尺度为几十分钟 至几天之间。
着重要作用。
23
§1.4 中尺度运动方程组
du 1 p fv
dt x
•
运动方程：
dv 1 p fu
dt y
dw 1 p g
dt z
Hale Waihona Puke 忽略湍流扩散的 大气动力学和热 力学基本方程组
• 连续方程： d ( u v w) 0
中小尺度数值预报
模式的本地化研究-前处理 模式的本地化研究 前处理
模式的本地化研究-前处理 模式的本地化研究 前处理
模式的本地化研究-前处理 模式的本地化研究 前处理
模式的本地化研究-计算机系统 模式的本地化研究 计算机系统
3.2 MM5运行环境本地化 运行环境本地化 3．2．1 曙光 ． ． 曙光4000机器运行环境 机器运行环境 1）操作系统是centos 4.6 2）INTEL编译器。因为我们用的CPU是安腾的，所以，用PGI编译器 会有问题，所以没有安装PGI编译，目前安装的编译器主要是针对 FORTRAN语言的，C语言中，GCC的编译器就非常好用了。 3 MPI 3）MPI环境 1.0 4)NIS集群的管理，对于用户的管理 5）TORQUE作用调度系统 6）开始设置：共有10个接点，1号是管理节点，7号是I/O节点，另外 8个是计算节点。外面机器和2号节点联系，只能用SSH（此协议更安 全），其它接点可以用RSH互相联系。 7）磁盘阵列情况 有10块300G的盘，其中一个作为HOSTSPARE，剩下的9块盘做R6 格式，也就是允许坏两块盘。这样，3X7=21，系统总容量为2.1T
冬 10 60 50 50 40 60 30 20 25 15 60
夏 50 15 15 15 14 20 12 10 11 15 50
冬 50 5 5 5 5 20 10 10 10 15 50
模式的本地化研究-前处理 模式的本地化研究 前处理
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 落叶针叶林 常绿阔叶林 常绿针叶林 混和林 水体 草湿地 森林冻土 稀疏作物 草地冻土 林木冻土 混合冻土 裸露冻土 冰雪 14 12 12 13 8 14 14 25 15 15 15 25 55 15 12 12 14 8 14 14 25 60 50 55 70 70 30 50 30 30 100 60 35 2 50 50 50 2 95 60 50 60 60 100 75 70 5 90 90 90 95 95 95 95 95 94 98 95 95 85 92 93 92 85 95 95 95 95 94 98 95 95 85 92 93 92 95 95 50 50 50 50 10 20 40 10 10 30 15 10 5 50 50 50 50 10 20 40 10 10 30 15 5 5 0．04 0．05 0．04 0．04 0．06 0．06 0．05 0．02 0．05 0．05 0．05 0．02 0．05 0．05 0．05 0．05 0．06 0．06 0．06 0．06 0．02 0．05 0．05 0．05 0．05 0．05
中小尺度气象学总结
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。
中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。
数值天气预报第十章_几种数值模式及模拟试验举例
数值天气预报第十章几种数值模式及模拟试验举例兰州大学大气科学学院中小尺度天气系统常与暴雨、冰雹、雷雨大风等剧烈天气过程联系在一起。
随着探测手段的进步，监测和跟踪能力的提高，对中小尺度天气系统发生、发展机制的探讨及预报方法的研究，近年来取得迅速的进展。
1986——1990 年期间，中国建立了京津冀地区的中尺度天气系统的监测和预报基地。
数值模拟是用试验的手段分析中小尺度天气系统的理论工具。
用其研究中小尺度天气过程，可以避免研究中求解非线性方程组的困难，但却较真实的揭示出影响中小尺度天气过程的物理因子以及演变的细节。
本章内容描述中小尺度天气系统的基本方程组描述中小尺度天气系统的线性方程组的动力学特征模拟中小尺度天气系统应考虑的物理因子中尺度天气系统数值模拟实例3.其他方程的简化热流量方程、水分方程及其他气体和气溶胶方程，一般较少做简化，采用原有方程形式。
只有当源汇项较小时，可将它们略去。
小结：简化的中小尺度系统的方程组，其连续方程根据系统深厚或浅薄分别取(10.20)式或(10.22)式；其垂直运动方程根据系统的水平尺度分别取(10.27)或(10.28)式；水平运动方程采用(10.32)式和(10.33)式；而其他方程一般仍取原有形式，即(10.2)及(10.4)至(10.8)式。
这些方程则构成了描述中小尺度系统的基本方程组。
(10.75)(10.76)引入这两个参数的目的是为了在分析中追踪它们所代表的项；以便很清楚地了解采用流体静力假设或滞弹性假设应被忽略的项。
二、形式解与频率方程上述方程组中含有6个未知数及，有6个方程，则方程组闭合，可以求解。
设各未知数有下列形式的解：11,0,λ⎧=⎨⎩21,0,λ⎧=⎨⎩表示流体是非静力的表示流体是静力平衡的表示流体是可压缩的表示流体是滞弹性的u v w p ρ′′′′′、、、、θ′(10.77)将上述形式解代入方程组(10.69)～(10.74)中，可得含有6个未知数的线性齐次代数方程：%()()()() ()() ()()()()%()(),,,,,,,,,,,,x z x z x z x z x z x z i k x k z t x zi k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z u u k k e v v k k ew w k k e p p k k e k k e k k eωωωωωωωωωωρρωθθω+−+−+−+−+−+−⎧′=⎪⎪′=⎪′⎪=⎪⎨′=⎪⎪′=⎪⎪′=⎪⎩%力假定或滞弹性流体假定去除。
中尺度数值天气预报模式
集合预报技术的发展
集合预报技术是一种概率预报方法， 通过将多个不同初始条件的模式结果 组合起来，提供更全面的气象信息。 随着超级计算机技术的不断发展，集 合预报的分辨率和覆盖范围将得到进 一步提高，能够更好地揭示中尺度气 象系统的演变和传播。
VS
集合预报技术还可以与其他数据源 （如卫星观测、雷达观测等）进行融 合，提高预报的准确性和精细化程度。 通过集合预报技术，气象部门可以提 供更加全面和客观的气象服务，满足 不同用户的需求。
中尺度模式的设计
中尺度模式是数值天气预报的一种，特别适用于预测局地性强、时间尺度较短的 天气系统，如雷暴、锋面和低气压等。
中尺度模式的设计需要考虑大气的中尺度特征，如气流、水汽和不稳定能量等。 这些特征在模式中通过特定的参数化方案来处理，以更准确地模拟中尺度天气系 统的演变。
模式的初始化与更新
初始化是数值预报的关键步骤之一，它决定了预报的 初始状态和随后的演变。正确的初始化对于提高预报
模式在台风路径预测中的应用
中尺度数值天气预报模式在台风 路径预测中具有较高的准确率， 能够较为准确地预测台风登陆地
点和时间。
通过分析台风周围的中小尺度环 境因素，如地形、气流等，模式 能够更准确地模拟台风的移动路
径和强度变化。
模式在台风预报中的应用，为政 府和公众提供了关键的决策依据，
有助于减少台风灾害的影响。
中尺度数值天气预报模式能够提供高 分辨率的短时气象信息，如风向、风 速、温度、湿度、降水等，有助于预 测未来几小时内的天气变化。
精细化预报
中尺度模式能够提供更精细的地域气 象信息，如局部地区的气象状况，有 助于气象部门为特定区域提供更准确 的预警和防范措施。
灾害预警
暴雨预警
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WRF模式的编译
10
WRF模式前处理：模拟区域和地形信息设 置
11
2(梁佳)
2
WRF模式前处理：资料处理
12
2(梁佳)
2
WRF模式初始化和边界条件设置
13
2(梁佳)
2
WRF模式物理过程参数设置 WRF模式后处理：模式输出结果转换；WRF 模式后处理：利用Grads显示模式的模拟 结果
14
2(梁佳)
2
实验（习）、习题课、测验 内 容
主讲教师
周次 1 2 3 4 5 6 7 8
9 学时数 2（陈耀登）
章节主要内容（包括重点、难点）
天气尺度划分、运动基本特征动力方程组； 数值模拟的起源和分类 常见地形性中尺度环流（地形波、热导环流 2（陈耀登） 等）；中尺度数值模拟简介、国内外进展 2（潘维玉） 2（潘维玉) 自由大气非对流性中尺度环流(自由大气重 力波及其发生、发展)；模式控制方程组 锋与急流系统；中小尺度数值模拟的地图投 影，及投影方程
2（潘维玉) 锋-急流附近的次级环流；方程组的离散、数值模拟若干问题 中尺度对流系统（普通单体、多单体、超级 单体、龙卷、温带飑线系统），资料处理与 2（潘维玉) 模式初始化 中尺度对流系统（形成方式、机制、飑线个 4(陈丹) 例分析）；边界层参数化 锋面气旋及台风中尺度雨带（降水机制、锋 面附近的中尺度雨带等）；对流参数化及微 4(陈丹) 物理过程 锋面气旋及台风中尺度雨带（中尺度雨带成 2(梁佳) 因、地形、台风的影响等）；WRF模式介绍 2 (基本方程、特点介绍)、如何编译WRF模 2梁佳) 中尺度对流复合体（中尺度对流复合体的特 征与结构等）；资料的准备、如何在WPS中 设置区域及各种地理信息、区域图的绘制、 中尺度对流复合体（、MCC、中尺度涡旋 等）；资料特点的介绍，如何在WPS中处理 各种气象资料，WPS的namelist相关设置 中尺度对流复合体（MCS的影响与作用）； WRF的网格、计算方案简介；WRF的Namelist 相关设置 影响中尺度对流系统发生发展的因子（位势 不稳定、第二类条件性不稳定)；WRF相关物 理参数简介，如何设置WRF模式参数 影响中尺度对流系统发生发展的因子（条件 性对称不稳定、风垂直切变）；WRF模式输 出结果转换，如何利用Grads显示WRF模式的 输出结果 影响中尺度对流系统发生发展的因子(热力 、动力条件、垂直切变等影响）；相关模拟 个例介绍；台风模拟实习及操作流程讲解 2
2012－ 2013学年第 二 学期
教 学 进 度 表
课程名称 总 学 时 系 部 中小尺度天气动力学及数值模拟
（其中讲课：64学时；习题课：
课程性质
选修 （必修、选修）
学时；实验（习）：16 学时 ；测验： 学时）
大气科学系 沈新勇/马旭林/闵锦忠/潘维玉
讲 课
学时数
专业年级 气科10(1)(2)(3)(4) 辅导教师
15
2(梁佳)
2
台风数值模拟实习
16
பைடு நூலகம்
2(梁佳)
中尺度天气预报（暴雨分析和预报、强对流 天气的分析、预报及资料应用和临近预报介 绍）；中尺度资料同化、实习总结报告
2
实习结果分析
17 18
注：本表由任课教师填写，在学期开始时交教师所在学院，经学院院长审阅后学院留存。
领导签字：
年
月
日