中小尺度数值模拟复习整理
中小尺度复习解读
中小尺度中尺度带状对流系统由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统一般称为带状对流系统。
结构：飑线作为一个中尺度系统，应包括对流区和非对流(层状云)区两部分。
对流区包含强烈的、垂直延伸的强回波核，而层状区域由一些降水构成均匀（不是绝对均匀）纹理。
概念：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。
其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速气压、温度等突变的狭窄强对流云带。
为破坏力严重的灾害性天气。
飑线的一般特征○!发生地点：出现在中纬度的某些大陆地区以及主要的热带大陆和热带海洋地区。
温带地区的飑线常发生在春夏之交的过渡季节，有的出现在冷锋前或气旋波的暖区，有的在冷锋后的冷区里，还有在冷暖锋上或切变线(辐合线)附近生成的。
并大致与锋面相平行。
○2尺度：长约几百千米，宽度约50～100km。
飑线由若干“飑段”组成。
每个飑段包含若干大而孤立的相互分离的风暴。
○3时间尺度：几小时至十几小时。
○4飑线的地面要素场的结构：飑线由雷暴单体侧向排列而成，每个单体成熟期都有地面冷丘及水平外流和阵风锋；小冷丘和阵风锋结合起来形成小尺度雷暴高压和阵风锋。
阵风锋又称为飑锋：处在雷暴高压边缘。
具有很强的温度梯度、气压梯度和风速和风向水平切变，它也叫气压涌升线或跳跃线。
○5过境特征：由于飑锋附近是各种气象要素水平梯度很大的地带，因此当飑锋过境时，气象要素将发生急剧的变化。
通常表现为气压涌升、气温急降、风向突变、风速剧增以及强烈降水等。
飑线前低压：飑锋前方一般有中尺度低压。
它的形成可能与飑线前方高层的补偿下沉气流引起的绝热增温有关。
尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压，它的形成与雷暴高压后部的尾流效应相联系。
飑中系统：包括飑线、飑线前低压、雷暴高压以及尾流低压统称为飑中系统。
※飑中系统的全部系统一般只在成熟阶段才同时出现。
不同阶段系统的强度和结构是不同的。
两类比较常见飑线：1、具有前导对流线和尾随层状云区以及具有由前向后和由后向前两支入流的飑线发生在风垂直切变相对小的环境中的飑线飑线的前方有一支由前向后的入流迎着飑锋上升，到高层分裂成向前和向后的两支气流，其后部中层则另有一支由后向前的入流。
中尺度 复习资料
1.背风波：当风速随高度增大时，则可在背风坡出现波动气流，这种波动成为背风波。
2.多单体雷暴：由一些处于不同发展阶段的生命期短暂的对流单体组成，是具有统一环流的雷暴系统3.龙卷风暴：产生龙卷的强风暴系统称为龙卷风暴。
4.温带飑线：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。
其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速、气压、温度等突变的狭窄强对流云带。
为破坏力严重的灾害性天气。
5.对流复合体（MCC）：指由若干对流单体或孤立对流系统及其衍生的层状云系所组成的对流系统，其空间尺度和时间尺度具有幅度很广的谱。
最简单的是二维的线状对流系统，最大而复杂的是一种具有近于圆形团状结构的MCC这两种系统位于对流复合体波谱的两端。
6. 对称不稳定：在流体静力、地砖平衡且具有水平切变的情况下，浮力和旋转会共同起作用，这两种效应会导致一种新的浮力惯性不稳定，即对称不稳定，对称不稳定是中尺度雨带与雨团形成的主要不稳定机制。
7.条件性不稳定:对干空气是静力稳定的，而对饱和湿空气静力不稳定的情况。
8.对流性不稳定：不论气层原先的层结性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是不稳定的则称对流性不稳定。
9.第二类条件性不稳定：大尺度流场通过摩擦边界层的抽吸作用，为积云对流提供了必须的水汽辐合与上升运动，反过来积云对流释放凝结潜热又成为驱动大尺度扰动所需要的能量，于是小尺度积云对流和大尺度流场通过相互作用，相辅相成的都得到了发展。
这种通过不同尺度运动的相互作用使对流和大尺度流场不稳定增长的物理机制称为第二类条件性不稳定。
10. 超级单体风暴：直径达20~40km 以上，生命期达数小时以上，即比普通的成熟单体雷暴更巨大、更持久、天气更猛烈的单体强雷暴系统。
它具有近于稳定的、高度有组织的内部环流，并且连续地向前传播可达数百公里。
11. .暖输送带：在槽前辐合区的边界上通常可以看到一支狭长的云带。
中小尺度复习
中小尺度中尺度带状对流系统由对流单体侧向排列而成的中尺度对流系统一般称为带状对流系统。
结构：飑线作为一个中尺度系统，应包括对流区和非对流(层状云)区两部分。
对流区包含强烈的、垂直延伸的强回波核，而层状区域由一些降水构成均匀（不是绝对均匀）纹理。
概念：为—种带(或线)状中尺度系统,是非锋面性狭窄的活跃的雷暴带(或不稳定线)。
其中有许多雷暴单体（其中包括若干超级单体）侧向排列而形成的，是风向、风速气压、温度等突变的狭窄强对流云带。
为破坏力严重的灾害性天气。
飑线的一般特征○!发生地点：出现在中纬度的某些大陆地区以及主要的热带大陆和热带海洋地区。
温带地区的飑线常发生在春夏之交的过渡季节，有的出现在冷锋前或气旋波的暖区，有的在冷锋后的冷区里，还有在冷暖锋上或切变线(辐合线)附近生成的。
并大致与锋面相平行。
○2尺度：长约几百千米，宽度约50～100km。
飑线由若干“飑段”组成。
每个飑段包含若干大而孤立的相互分离的风暴。
○3时间尺度：几小时至十几小时。
○4飑线的地面要素场的结构：飑线由雷暴单体侧向排列而成，每个单体成熟期都有地面冷丘及水平外流和阵风锋；小冷丘和阵风锋结合起来形成小尺度雷暴高压和阵风锋。
阵风锋又称为飑锋：处在雷暴高压边缘。
具有很强的温度梯度、气压梯度和风速和风向水平切变，它也叫气压涌升线或跳跃线。
○5过境特征：由于飑锋附近是各种气象要素水平梯度很大的地带，因此当飑锋过境时，气象要素将发生急剧的变化。
通常表现为气压涌升、气温急降、风向突变、风速剧增以及强烈降水等。
飑线前低压：飑锋前方一般有中尺度低压。
它的形成可能与飑线前方高层的补偿下沉气流引起的绝热增温有关。
尾流低压：雷暴高压后方的中尺度低压，它的形成与雷暴高压后部的尾流效应相联系。
飑中系统：包括飑线、飑线前低压、雷暴高压以及尾流低压统称为飑中系统。
※飑中系统的全部系统一般只在成熟阶段才同时出现。
不同阶段系统的强度和结构是不同的。
两类比较常见飑线：1、具有前导对流线和尾随层状云区以及具有由前向后和由后向前两支入流的飑线发生在风垂直切变相对小的环境中的飑线飑线的前方有一支由前向后的入流迎着飑锋上升，到高层分裂成向前和向后的两支气流，其后部中层则另有一支由后向前的入流。
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
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。
中尺度数值模拟报告
中尺度数值模拟报告中尺度数值模拟是一种重要的气象预报手段，可以对天气过程进行较准确的预测和分析，尤其在短期天气预报中具有很高的实用价值。
以下是一份中尺度数值模拟报告的范例。
报告名称：2021年8月21日北京市短期天气预报预报时间：2021年8月20日15时一、天气概况北京市区今天（8月20日）自早晨以来开始阴雨天气，气温明显下降。
预计明天（8月21日）北京市有小到中雨，其中西南部地区部分地方有暴雨，受降雨影响，气温下降较大，最高气温不超过27℃。
二、气象预报1. 降水预报北京市区明天上午有小到中雨，中午时段转为零散小雨。
西南部地区降水较强，局地有暴雨，建议做好防御准备。
预计24小时内，北京市区累计降水量为10-25毫米，局部西南部地区可能达到30-50毫米。
2. 温度预报明天北京市气温将继续下降，最高气温不超过27℃，最低气温为20℃左右。
各区气温预计变化范围为：东城区、西城区、朝阳区、海淀区、石景山区、丰台区、通州区、房山区、顺义区、门头沟区、昌平区、大兴区、平谷区最高气温均在27℃以下。
3. 风力预报明天北京市区气流较强，东部地区有6-7级偏东北大风，其他区域风力为4-5级偏东北风。
三、预警提示根据气象预报，预计明天北京市西南部地区降水较强，局地有暴雨，建议留意山区洪水和滑坡灾害的可能性，及时采取措施，确保人身安全。
四、评估分析此次天气系统来袭，与强冷空气和副高相互作用使得北京市气温下降，降水增多的趋势很明显。
目前各项数据稳定，预报准确度较高。
综合分析，明天北京市仍有较强的降水和大风天气，需要做好防护措施。
五、预报措施依据气象预报，明天初始化观测方案包括增加对西南部地区的降水监测和洪水及滑坡等风险评估，及时调整预警方案，避免因天气带来的自然灾害。
同时，加强监测台站、拓展网络、科学管理，不断提高短期天气预报的准确率和精度。
中尺度数值模拟
一、名词解释差分近似的收敛性：在模式的计算域内，在固定时间n∆t 后，当∆t，∆x→0时，在整个计算域内max{|u i n−u(i∆x,n∆t)|}→0。
混淆误差：指由于有限网格不能正确地分解短波而造成的误差。
计算的稳定性：给定初始值，计算的解随着时间步长（趋于∞时），是有界的。
差分近似的一致性（相容性）：当∆t，∆x→0时，差分系统应等同于微分方程。
模式中的动力框架：包括建立相适应的大气动力方程组、确定垂直坐标系和选择合理的离散化的方法（差分还是谱分析）。
物理过程：主要包括3个，即云物理过程参数化、边界层物理过程参数化和太阳辐射过程参数化。
资料同化：即把不同时刻、不同地区、不同类型的观测资料与常规资料融合，通过一定的预报模式，使之在动力和热力上协调起来，求得质量场和流场基本平衡的理想的初始场。
客观分析：利用模式构造一个背景场，再把测站资料插值到该背景场的格点上，然后做质量检验并对其进行初始化。
是整合检错，质量控制，合理插值的综合过程。
Lax等价性原理：对于一个适定的初值问题和它的一个具有相容性的差分格式，其计算稳定性是收敛性的充分必要条件。
CFL条件：显式格式稳定性的必要要件，c∆t/∆x≤1，其中C为所考虑的最快波的波速。
不同离散方法中模式的精度：对于差分方法，格距越小，分辨率越高；对于谱方法，截断系数越大，分辨率越高。
二、数值模式由哪几个部分组成？1、前处理：包括客观分析等，给主模式一个合理的适应模式的初始条件。
2、动力框架、物理过程3、后处理：模式输出的资料的处理，以供应用。
MM5模式有哪些优点？(1)多重嵌套和移动嵌套功能；(2) 非静力动力模式(3) 四维同化能力；(4) 齐全的物理选项；(5)可以多平台、多系统运行(6) 易操作性。
MM5模式有几个模块组成，各自的主要功能是什么？MM5共有8个模块。
（1）TERRAIN模块：对经纬度网格的地形资料和路面特征参数资料进行插值。
（2）REGRID模块：对分析场资料进行插值，形成标准等压面上的初值场。
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。
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中小尺度数值模拟复习整理
第一章绪论
第二章控制大气运动的基本方程组和地图投影
1、中尺度动力学控制方程
（1）为什么需要将方程组重新写成平均意义上的方程形式
答：①气象实际观测资料是在一定意义下的时空平均值
②数值模式由于时空离散化，变量值均为间隔为x, y, z, t点上的值，即网格点上值，也可理解为网格区域的平均值
2、数值模拟：给定初值和边值条件，数值求解控制大气运动方程组。
其中，主要用格点法（或谱方法）把连续的时间空间变为离散的时间空间，用变量在离散点上（网格点上）的值来代替连续变量场，用差商代替微商，将微分方程变为差分方程（谱方程）
3、次网格过程：用格点值不能直接描述的过程
4、湍流与对流有区别：
湍流：发生在边界层，耗散动量、输送热量和水汽
对流：发生在对流层，对流凝结释放潜热加热大气，输送热量和水汽到中高层，也具有耗散作用
5、地图投影：把地球投影到一个投影曲面上，然后把投影曲面展开成平面，这就是投影平面，最后将投影平面缩小一定的倍数，就成为地图。
6、比例尺：投影平面上某一线段长度和地球上相应长度的比值。
7、为什么要进行地图投影？
答：①进行有限区域数值模拟时，常常使用平面直角坐标系，因此常需将球面投影于平面上，重新划分网格。
②应用于天气图分析（天气图底图是用来填写各地气象站观测记录的特种空白地图）和和数值预报（数值模拟初值来自客观分析，结果也表示在天气图上）
8、投影面：把地球表面的地形，经纬线等投影到一个有简单图形的面上，如：平面，圆锥面，圆柱面（后二者可展开成平面），这些面称为投影面。
9、投影变形：地球表面经投影的方法描绘在平面上，地球上地理区域的距离、方向、面积、形状等特征会有变形。
10、等距投影：距离不变的投影
11、正形投影：两条交线交角保持不变、且各方向放大(或缩小倍数)相等的投影（即地图上某一个点各个方向的比例尺保持不变）
12、透视：按几何透视来分，如一平面与地球北极相切，球心有一光源，由球心发出的光线将经纬线投影到平面。
13、非透视：按规定条件由数学方法完成（数学一一对应变换）没有透视光线。
如：等距投影不可能由透视方法产生。
14、天气图常用的投影方法：
1）Lambert投影
2）Mercator投影
3）极射赤面投影
（a）圆锥投影是透视、非正形投影（若附加正形条件则不可能是透视投影）
（b）圆柱投影是透视、非正形投影（若附加正形条件则不可能是透视投影）
（c）极射赤面投影是透视、正形投影。