数值天气预报总纲

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《数值天气预报 》复习总结

《数值天气预报 》复习总结

引言数值天气预报的定义在给定初始条件和边界条件的情况下,数值求解大气运动方程,由已知初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态数值预报模式的主要内容初始场(资料同化)数值天气预报模式需要一个初始时刻的状态作为初始场,而初始场一般由常规观测资料和雷达、卫星及其他费常规观测资料同化而成。

动力框架(数值方法)基于七个基本方程,根据预报的时空尺度和预报对象对方程组进行简化,使用不同的差分方式进行数值计算。

物理过程(参数化)数值模式基于动力框架通过物理过程参数化来描述不同尺度的天气过程。

其中对参数化过程的优化和改进对数值模式预报准确率的提高起着关键的作用。

数值天气预报的特点种类繁多;空间、时间分辨率高;时空分布的连续性好;预报误差特征极其复杂促进数值预报迅速发展的因素探空技术及先进的探测技术的发展;通讯技术的发展;动力气象和天气学的发展;计算机和计算技术的发展数值预报的主要挑战次网格尺度的物理过程由于大气是一种具有连续运动尺度谱的连续介质,故不管模式的分辨率如何高;总有一些接近于或小于网格距尺度的运动(见数值天气预报常用计算方法),无法在模式中确切地反映出来,这种运动过程称为次网格过程。

非线性方程的数值解虽然在适当条件下,可以证明某些线性微分方程组的稳定格式的数值解,能够近似表示相应的微分方程组的真解,但对于非线性微分方程来说,两种解却可能不完全一致。

已有证据表明虽然有时候数值解是计算稳定的;但却与真解(这是特殊情况,真解是已知的)毫无相似之处。

初值形成问题它包括初值处理、卫星资料的应用和四维同化等问题,这些问题至今尚未很好解决。

误差(1)分析误差:目前,观测系统并不完全按照天气预报的要求建立的,而且观测资料包含各种不同类型、不同分布密度、不同观测频率和观测精度。

基于这种不完善的观测系统基础,所得到的资料同化分析场与真实大气之间必然存在差异,这种来自分析场上的误差导致了模式计算上的误差。

(2)模式误差:模式的水平和垂直分辨率不够精细,物理过程参数化不够完善,难免有这种或那种的假定或简化,很难完全描写真实大气特征而造成误差。

数值天气预报数值天气预报复习.docx

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数值天气预报第一章1、名词解释数值天气预报:所谓数值天气预报,就是在给定初始条件和边界条件的情况下,数值求解大气运动基本方程组,由已知的初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态。

因此,大气运动基本方程组是制作数值天气预报的基础。

初始条件:初始条件就是初始时刻各因变量(即气象要素)的空间分布。

其一般形式为u=u(x,y,z,O) v=v(x,y,z,O)t=0, w=w(x,y,z,O)p=p(x,y,z,O)T=T(x,y,z,O)边界条件:边界条件就是所研究区域的大气边界上气象要素应满足的条件。

研究全球范围的大气运动,如果大气内部各气象要素都是连续的,则只需给出大气的下边界条件和上边界条件;如果大气内部存在不连续面,则还需给出内边界条件。

尺度分析:所谓尺度分析就是根据某种类型运动的特征尺度来估计基本方程组中各项数量级的大小,从而使方程组得到简化的一种方法。

特征尺度:物理变量的特征尺度是指某种类型运动所占据的空间范围、维持的时间、各场变量及时空变化的典型值。

大气模式:2、问答四种坐标系的优缺点?第二章1、名词解释地图放大因子:映像比例尺m是映像平面上的距离与地球表面上相对应距离的比值,称之为地图放大系数或地图放大因子。

正形投影:投影光源位于球心,映像面为圆锥面,映像面圆锥角为a (0<a<180),标准纬度为<Po 2、问答特点% —- *第二早1、名词解释平滑:所谓平滑就是用某点周围若干点的值进行加权平均来代替该点的值,经过这样处理的物理量场可以衰减或者滤掉短波分量。

2、问答什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性?它们之间的关系如何?答:截断误差是否随着网格距和时间步长趋于零而趋于零,称为解的收敛性问题。

舍入误差是否随着网格距和时间步长趋于零而在整个求解区域内保持有界,称为解的稳定性。

相容性、收敛性和稳定性之间的关系,即为克拉斯等价定理:对于一个线性微分方程的适定初值问题,若其差分方程和微分方程是相容的,则稳定性是收敛性的充分必要条件。

《数值天气预报》全册完整教学课件

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过去,因全球数值预报模式分辨率比较低,模式中的大尺度(即格点尺度) 凝结过程的处理比较简单, 人们更多的注意力放在对积云对流参数化方案的 发展和改进上。由于在此过程中未考虑云的生成过程,使得模式大气中缺少 了水物质(云水、雨水、冰、雪等) 的拖曳作用,当模式分辨率逐渐提高时垂 直速度会出现虚假增长,从而导致模式降水量的虚假增加。这一问题在模式 的水平格距减小到100 km 以下后逐渐变得较为突出。
大气科学的精髓是:
要掌握在地球系统多圈层相互作用影响 下大气的动力、物理和化学的演变规律,依 据已知的信息,预知大气未来的演变过程和 状态。
地球系统圈层结构
气象工作者的主要使命是:
希望能准确告诉人们未来的大气状态。 但气象问题的复杂性使得人们无法通过自身 大脑的直接思维去准确掌握大气的演变趋势, 也没有一个科学家能以理论方式直接求解数 学物理方程得到大气未来的状态,也难于直 接通过物理实验来客观地认识大气的演变规 律。
二战以后,随着高空探测的增多和世界高空探测站的逐 渐加密,天气分析从二维扩展为三维。
16
天气预报的演进
地面观测初始时期 极锋学说应用时期 探空发展时期 斜压理论发展时期 卫星观测初始时期 气象雷达推广应用时期 动力数值天气预报应用时期
动力统计预报应用时期 人工智能系统应用时期
二 什么是数值天气预何级数式地增长,对 计算机资源的需求也随之急速增加。大规模并行计算机是能 满足这一需求。气象数值预报模式运行要达到最高的计算效 率,模式程序的并行化是不可避免的。
另一方面,数值预报模式性能的完善化,使得模式程序规 模进一步扩大,加之全球/ 有限区、天气气候一体化模式的 提出,模式程序更进一步复杂化,使得模式程序的研制、运行、 维护、发展变得更加困难。

数值预报2022级复习提纲

数值预报2022级复习提纲

数值预报2022级复习提纲《数值天气预报》复习提纲第一章基本方程1、什么是数值天气预报?2、数值天气预报包含哪些主要内容?3、大气的基本方程由哪些方程构成?4、球坐标系、局地直角坐标系(即Z坐标系)、P坐标系和坐标系的方程组的优缺点?5、根据水平运动方程的形式,可将数值模式分为哪几类?过滤模式和原始方程模式有何区别?之间所6、由坐标系的定义推导出p坐标系的垂直速度和坐标系的垂直速度满足的关系式?7、请写出水平气压梯度力在σ坐标系下的形式?第二章地图投影1、地图投影的基本概念(地图投影放大系数,标准纬度、正形投影、圆锥常数等)2、常见的三种地图投影及其基本特点。

熟悉三种地图投影放大系数的公式。

3、正交曲线坐标系的特点及其矢量运算关系式。

4、拉密系数的概念及意义。

地图投影坐标系的拉密系数是什么?5、如何从正交曲线坐标系的方程推导出地图投影Z坐标系的方程。

6、如何推导地图投影P坐标系的连续方程。

7、请写出水平散度V在地图投影坐标系的展开式。

8、请将气压梯度力1p表示为地图投影(某,Y,Z,t)坐标系的表达式?第三章数值计算方法1、会根据要求建立微分方程对应的差分方程。

2、什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性?如何证明差分格式的线性稳定性判据?稳定性判据的物理意义是什么?3、会建立常用的时间积分格式,它们各有什么特点?4、对于线性方程,有限网格下差分格式会引起哪些误差?如何减小这些误差?5、什么是非线性不稳定,什么是混淆误差?为什么说混淆误差可能是引起非线性不稳定的原因?6、为什么只有2某~4某之间的短波才会发生能量的自反馈,从而引起非线性不稳定?7、抑制非线性不稳定的措施主要有哪些?8、写出平滑系数为S的三点平滑公式,会求解其响应函数R。

当S=1/2时,三点平滑公式有何性能?9、什么是正逆平滑,为何气象中常要采用正、逆平滑的方案?10、写出5点平滑公式、9点平滑公式,说明它们的性能差异第四章正压原始方程模式1、构造正压原始方程模式的物理条件有哪些?每个物理条件在设计模式时有何意义?2、正压原始方程模式的预报方程组由哪几个方程组成,具体形式如何?3、正压原始方程组有哪些主要的积分性质?如何证明其满足全球大气总质量守恒?4、正压原始方程组的线性计算稳定条件是什么?说明该表达式的物理意义。

数值预报

数值预报

1第一章、1 什么是数值天气预报? 根据大气的运动方程组,在一定初始条件和边界条件下,即从现在时刻的天气状况或大气运动状态(边界条件和初始条件),通过数值计算,用计算机求解描写天气演变过程的大气运动(流体力学和热力学)方程组,得到(预报出)未来天气状况和大气运动变化状态的方法。

不同于传统的天气学方法的定性的和主观的预报,数值天气预报是定量的和客观的预报。

2 大气运动遵守的基本定律和大气运动的基本方程组。

运动方程(牛二定律):连续方程(质量守衡定律):状态方程(理想气体实验定律):一般干空气 未饱和湿空气热力学方程(能量守衡定律):一般,绝热,考虑水汽相变,假绝热过程,水汽方程(水汽质量守恒定律):水汽质量守恒定律,水汽质量守恒方程,饱和假绝热过程,凝结函数. 3 模式大气和大气模式的概念。

模式大气:在不失去大气主要特征的情况下,把非常复杂的实际大气理想化、简单化的大气。

大气模式:为了预报某种天气(如短期或中期预报),在一定的客观条件下,设计出的合适的描述模式大气的动力学和热力学方程组。

4 数值天气预报模式及其分类:什么是过滤模式,什么是原始方程模式。

过滤模式:采用准地转近似或准无辐散近似(非地转)虑掉了模式中的重力惯性波、声波。

原始方程模式:模式中包含有重力惯性波,根据模式大气的垂直结构的不同假设,又分为正压原始方程模式和斜压原始方程模式。

第二章、1 地图投影的一般概念,正形投影的概念和性质。

地图投影的概念:按照一定的数学条件,把球形的地球表面绘于平面图上,,或者说把地球表面投影到一个简单的曲面上.正形投影的概念和性质:又称等角投影,在等角投影面上角度不发生变异,即经过投影后地球表面上任意两条交线的夹角保持不变,从而使地球表面上无限小的图形以相似的形式展绘于投影面上,并且在投影面上任意一点的各个方向上长度的放大或缩小倍数均相等.这种地图投影没有角度误差,但有面积误差. 2 地图放大系数的概念,三种基本正形投影及其适用范围和参数。

《数值天气预报》复习总结

《数值天气预报》复习总结

《数值天气预报》复习总结
《数值天气预报》是一种基于数值模型的天气预报方法,通过计算大
气动力学、热力学和水气动力学方程,对未来一段时间内的天气情况进行
预报。

数值天气预报的精度和准确性受到多种因素的影响,包括模型分辨率、观测数据质量和种类、物理参数化方案等。

下面是我对《数值天气预报》的复习总结。

此外,物理参数化方案是数值模型中的重要组成部分。

物理参数化方
案主要用于对大气中的一些微观过程进行近似描述,如对流、辐射、湍流等。

复习中,我主要关注参数化方案的原理和应用方法,以及物理参数化
方案对模型预报结果的影响。

在复习过程中,我进行了大量的练习和习题训练,以巩固所学的知识。

同时,我还参考了一些经典的教材和论文,以了解该领域的最新进展。


过这些复习工作,我对《数值天气预报》的理论体系有了更清晰的认识,
并且对数值天气预报的方法和技术有了更深入的了解。

同时,我意识到数值天气预报是一个复杂的系统工程,其中涉及到多
个学科的知识和技术。

要想取得准确和可靠的预报结果,需要综合运用气
象学、数学、物理学、计算机科学等多个学科的知识和方法。

另外,观测
数据的质量和种类、数值模型的准确性和分辨率、物理参数化方案的合理
性等因素也会对预报结果产生重要影响。

总结来说,通过对《数值天气预报》的复习,我对数值天气预报的原理、方法和技术有了更全面的了解。

我相信,在今后的学习和工作中,我
能够将这些知识运用到实际中,为提高数值天气预报的精度和准确性做出
贡献。

《数值天气预报》复习总结

《数值天气预报》复习总结

《数值天气预报》复习总结
《数值天气预报》是一种科学技术,其使用复杂的数学模型和计算机
技术来预测未来几天天气的发展情况,是一种将气象科学和计算机科学结
合在一起的新兴科学。

数值天气预报具有众多优势,它可以计算出大量的
天气参数,从而了解未来的天气趋势,并且在一定程度上实现了对未来天
气变化的预测,在许多方面比传统的天气预报更加准确。

数值天气预报技术的基本原理是使用一组完备的分析方程,来解释大
气中的物理现象,以及由这些物理现象引发的气象变化。

对于大气系统,
其核心方程就是基本的气象微分方程,它有助于描述大气中气流的运动规律。

在数值天气预报中,首先需要对大气里的其中一特定时刻进行评估,
以此作为基础条件;然后,建立一个适当的宏观模型,以描述大气中的每
一部分空间的流变情况;第三,建立一个精细的模型,用于描述大气系统
中每一部分空间的细节流变情况;最后,使用数值技术,结合之前的方程,来模拟大气系统的整体运动规律,从而推算出未来几天的天气变化情况,
实现对未来天气的预测。

传统的天气预报技术需要观测和研究大气中的各种变化情况,而数值
天气预报技术的优点在于可以计算大量的天气参数。

第3章 中期数值天气预报

第3章 中期数值天气预报

(3.5)
q 1 Uq 1 Vq Dq q
t a(1 2 ) a
(3.6)
(6)地面气压的倾向方程
t
ln
ps
1
(D V
0
• ln
ps )d
(7) 坐标中的垂直速度方程
(3.7)
1
0 (D V •ln ps )d 0 (D V • ln ps )d (3.8)
(8)P坐标中的垂直速度方程
2、地形的动力影响(阻塞、摩擦、绕流、 爬坡),如青藏高原、落基山(背风槽和龙 卷风)。 3、其它(植被、水面、土壤湿度和温度等)
地形描写不好是我国降水模拟不好的主要原因 之一。
(三)行星边界层和边界条件对大气运动的作用
1、行星边界层距离地面1~1.5km。 2、下垫面供给大气热量和水分的实质表现为动量
一、天气学预报方法的移植和应用: 即根据中期数值天气预报产品提供的天 气形势预报结果,应用天气学基本原理 进行物理分析,判断在这种天气形势下 可能出现怎样的天气过程。在结合预报 地区的自然地理条件等因素,作出具体 的要素预报。
二、数值预报产品的误差分析和订正: 系统误差。
第四节 中期数值预报产品应用的 自动化系统
(4)此后,数值天气预报迅猛发展。到20世纪70年代中期以来, 由于波谱技术的应用,所以目前许多国家都采用谱模式制作全 球或半球的中期数值天气预报,并取得了较大的成功,其中,
以ECWMF的中期数值天气预报水平最高。
2、国内:
(1)我国中期数值天气预报起步较晚,发展较快 。
(2)1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方 程组数值预报模式,为我国开展中期数值天气预报奠定 了基础,
2.凝结热流量(1)大尺度凝结(锋面),(2)小 尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两 种方案:(对流调整方案(空气饱和、空气未饱 和)、水汽辐合方案(郭晓岚方案及假设、积云 产生的条件、模式云、降水))
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数值天气预报总纲
(Outline of NWP)
数值天气预报
初始条件
常规观测、雷 达、卫星、再
分析、同化
控制大气运动 基本方程组
未来时刻 气象要素
边界条件
下垫面(全球) 侧边界条件 (区域)
数值天气预报流程
控制大气运动基本方程组(7个方程7个未知数)
差分方法 平面直角坐标系
地图投影(正形投影)
谱方法 球面坐标系
五、物理过程参数化
1.物理过程参数化基本概念 2.次网格过程概念及其一些主要的大气物理过程(如湍流、对流、辐射、水汽 相变等) 3.辐射过程参数化 (思路) 4.边界层参数化 (思路) 5.大尺度降水和对流降水参数化 (思路)
天气和气候(大气)模式研究的区别
研究对象:单一大气耦合系统 关注目标:瞬时结果平均状过程能量收支
二、预报方程组的离散和数值求解(差分方法若干问题)
1.差分方法基本概念(离散、差分表达式及其计算精度、差分方程定义和构造、 一致性、收敛性和稳定性) 2.线性计算稳定性定义 3.如何判断差分方程稳定性 4.差分方程计算解 5.有限网格下误差分析(频率、相速度、群速度等) 6.非线性计算不稳定(混淆误差) 7.时间积分方案(显式法、隐式法和迭代法),半隐式时间积分方案 8.平滑和滤波(滤去2∆x波)公式
精度稳定性和守恒
关键过程:凝结过程辐射和云 决定因素:初值强迫和反馈
CCM3 时间积分方案
数值天气预报课程应掌握的基本知识
三、正压原始方程模式的基本原理
1.正压原始方程模式特点 2.正压原始方程模式波动性质 3.正压原始方程模式积分性质(全球大气总质量守恒、平流过程全球大气动量 守恒、没有外力作用下全球大气总动能(位能)守恒、全球大气总能量守恒、 全球大气位涡拟能守恒、全球大气涡度拟能守恒) 4.正压原始方程模式稳定性条件 5.差分格式和地转适应(4种网格变量分布格式) 6.守恒差分格式
三个变换对
投影面上的大气方程组
谱方程
不同差分方案
平流项计算
(Silberman直接法和Orszag变换法)
An1 An1 tF[n,n1,n1]
数值天气预报课程应掌握的基本知识
一、控制大气运动的基本方程组和地图投影
1.地图投影基本概念(放大系数、圆锥常数、标准纬度、正形投影、Lambert 投影、Mercater投影、极射赤面投影) 2.以及如何计算地图投影放大系数 (思路) 3.如何将大气方程组转换到投影面上 (思路)
四、全球大气谱模式
1.谱模式、谱展开、谱方程 2.三个变换对(球谐变换、傅立叶变换、勒让德变换) 3.波谱截断(T42,R15) 4.正压无辐散涡度方程谱模式(球面坐标系-浅水方程组)(思路) 5.Silberman直接法和Orszag变换法 6.谱模式和格点差分模式比较
数值天气预报课程应掌握的基本知识
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