中尺度数值天气预报模式
WRF介绍
9.2.4.3 辐射
3-5 MM5 Dadhia短波辐射方案： 该方案来自于MM5模式，对短波辐射通量向下进行简单积分。 它能够反映晴空散射、水汽吸收和云的反射与吸收。另外，还考虑了 地形坡度和阴影对地表短波辐射通量影响。 3-6 Goddard短波辐射方案： 该方案共有11个谱段，采用二流近似方法计算太阳短波辐射的散 射和直接辐射分量，并且方案中考虑了已有臭氧垂直廓线的气候分布。 3-7 CAM短波辐射方案： 该方案也是用于NCAR大气环流模式的谱段处理方案，主要用来 气候模拟。它能够处理几种气溶胶和痕量气体的光学特征。该方案特 别适用于区域气候模拟。
9.2.4.3 辐射
3-1 快速辐射传输长波模式（RRTM)： 该模式来自MM5模式，采用谱段处理方案。它是利用一个预设好的 查算表准确地表示由于水汽、臭氧、二氧化碳和痕量气体（大气中含量极 少的气体）引起的长波辐射过程，同时也能表示云的光学厚度。 3-2 GFDL长波辐射方案： 该方案来自美国地球流体动力实验室，计算与二氧化碳、水汽、和 臭氧相关谱段上的长波辐射，采用简化的交换方法。该方案中云的重叠是 随机的。 3-3 CAM长波辐射方案： 该方案是用于NCAR大气环流模式的谱段处理方案，主要用来进行气 候模拟。它能够处理几种痕量气体，并与可分辨云和云量进行相互作用。 3-4 GFDL短波辐射方案： 该方案同样来自于美国地球流体动力实验室，考虑了二氧化碳、水 汽和臭氧的效应，采用积分时间间隔内日间平均的太阳天顶角余弦值计算 段波辐射。该方案中云的重叠是随机的。
9.2.4.1 微物理过程
1-1 Kessler暖云方案： 该方案来源于COMMAS模式，是一个简单的暖云降水方案，考虑的微 物理过程包括：雨水的产生、降落与蒸发，云水的碰并增长与自动转化， 以及由凝结产生云水的过程。该方案显式预报水汽、云水和雨水，无冰 相过程。 1-2 Purdue-Lin方案： 该方案包括了对水汽、云水、雨、云冰、雪和霰6种类型水成物的处理。 该方案是 WRF模式中相对比较复杂的微物理方案，更适合于理论研究 。 1-3 WRF单参数—3类水成物(WSM3)方案： 该方案包括冰沉降和新的冰相参数化。与其他方案最大的不同之处在于， 该方案是基于冰的质量含量而非利用温度的诊断关系计算冰粒子浓度。 假设高于冰点的水成物为云水和雨，冰点以下的为云冰和雪，对包含冰 过程的计算效率很高。可以对三类水成物（即水汽、云水或云冰、雨或雪） 进行预报，被称为简单冰方案。但要注意的是，该方案缺少过冷水和逐步 融化率过程。
WRF中尺度天气预报模式简介
ARW模式系统简介一．概述1997年美国国家大气研究中心(NCAR) 中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式WRF ( Weather Research Forecast) 开发计划, 拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。
该计划由美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持, 1998年已形成共同开发的标准, 2000年2月被确定为实现美国天气研究计划(USWRP)主要目标而制定的研究实施计划之一。
现在,这项计划吸引了许多其它研究部门及大学的科学家共同参与。
WRF在发展过程中由于科研与业务的不同需求, 形成了两个不同的版本, 一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的ARW(Advanced Research WRF), 另一个是在NCEP的Eta模式上发展而来的NMM(Nonhydrostatic Mesoscale Model) [1、2]。
ARW作为一个公共模式, 由NCAR负责维护和技术支持,免费对外发布。
第一版发布于2000年11月30日, 随后在2001年5月8日发布了1.1版。
2001年11月6日, 很快进行了模式的第三次发布, 只是改了两个错误, 没有很大的改动, 因此版本号定为1.1.1。
直到2002年4月24日, 才正式第四次发布, 版本号为1.2。
同样, 在稍微修改一些错误后, 2002年5月22日第五次发布模式系统, 版本号为1.2.1。
原定于2002年10月前后的第六次发布, 直到2003年3月20才推出, 版本号为1.3。
2003年11月21日进行了更新。
2004年5月21日推出了嵌套版本V2.0。
2004年6月3日进行了更新, 至2006年1月30日为止最新版本为2.1.2[3]。
数值天气预报第八章_边界层模式及其参数化
∂w ∂w ∂w ∂w ∂p′ +u +v +w = −α 0 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂z
α′ 1 ⎡ ∂ ρ w′′u ′′ ∂ ρ w′′v′′ ∂ ρ w′′w′′ ⎤ + g− ⎢ + + ⎥ α0 ∂ ∂ ∂ x y z ρ⎣ ⎦
这就是中尺度数值模式中常采用的垂直运动方程的一种形式。
兰州大学大气科学学院 11
兰州大学大气科学学院 13
为了具体的给出参数化的公式，先把平均运动方程组中含有次网格尺度 通量项的方程改写如下：
du 1 ∂p 1 =− + f v+ dt ρ ∂x ρ
⎡ ∂τ xx ∂τ yx ∂τ xx ⎤ + + ⎢ ⎥ x ∂ ∂ y ∂ z ⎣ ⎦ 1 ∂p 1 ⎡ ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy ⎤ dv =− − fu+ ⎢ + + ⎥ ρ ∂y dt ∂ x ∂ y ∂ z ρ⎣ ⎦ 1 ∂p 1 ⎡ ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz ⎤ dw =− −g+ ⎢ + + ⎥ dt ∂y ∂z ⎦ ρ ∂z ρ ⎣ ∂x 1 ⎡ ∂H x ∂H y ∂H z ⎤ dθ θ = + + Q+ ⎢ ⎥ ∂y ∂z ⎦ dt c p T ρ ⎣ ∂x
9.1 平均运动方程及平均次网格尺度项
由于以下原因：
• 大气运动的湍流性，空气微团作极不规则的运动，虽满足瞬时运动方 程组，但其毫无意义 • 观测值是一定空间范围和一定时间间隔内的平均值
故应当研究物理量的平均值的变化规律。
以Φ 代表任一气象要素，在( x , y , z , t )坐标系中，其平均值 Φ 定义为
(完整版)强对流天气的中尺度分析
700hPa湿度场 •干线（露点锋） ：相邻 两站的露点温度相差10℃ 以上时，沿湿度梯度最大 处分析干线 •显著湿区：T-Td≤5℃， 从1℃开始 •干舌
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
850hPa（925hPa）分析
➢ 风场：切变线（辐合线） 、低空急流、 显著流线 ➢ 温度场：暖脊（温度脊）、T850-T500大值区 ➢ 湿度场：干线（露点锋）、湿舌
850hPa风场 •最大风速带（急流） •辐合区（切变）
以2013年3月23日南方强对流天气为例
低空急流（LLJ） •12-13m/s,有弱对流 •13-17m/s,有中等对流 •18m/s以上,有强对流
•显著湿区：T-Td≤5℃
•湿舌
•干线：相邻两站的露 点温度相差10℃以上时， 沿湿度梯度最大处分析 干线（露点锋）。
低空湿度（露点）
•≤8℃,有弱对流
•9-12℃,有中等对流
•＞12℃,有强对流
850hPa中尺度分析综合图
以2013年3月23日南方强对流天气为例
700hPa分析
➢ 风场：低空急流、 切变线（辐合线）、 显著流线
7．不满足静力平衡
在强烈发展的对流云附近，静力学关系不适用。在云中，特别是上升 气流和下沉气流强的地方，静力学关系更不能用。
强对流天气的定义
强对流天气定义(美国)：
直径1.9cm以上的冰雹、除了水龙卷之外的所有龙卷、 阵风25.7m/s以上的雷暴大风;
极端强对流天气：5cm以上冰雹，F2级以上龙卷， 33m/s以上雷暴大风；
展望
天 中短期预报
第7章 中尺度天气系统
第七章中尺度天气系统目录中尺度天气系统 (3)7.1 概述 (3)7.1.1 什么是中尺度 (3)7.1.2 中尺度天气系统的基本特征 (3)7.2 中尺度系统 (4)中尺度系统 (4)7.2.1 中尺度雨团 (4)卫星探测图片1 (5)7.2.2 中尺度雨带 (5)雷达气象部分的补充内容1 (7)7.2.3 中尺度对流复合体 (9)雷达气象部分的补充内容2 (12)卫星探测图片2 (13)7.2.4 飑线 (13)雷达气象部分的补充内容3 (18)卫星探测图片3 (19)7.3 中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (19)中尺度系统发生发展的大尺度环境条件 (20)7.3.1 位势不稳定层结 (20)7.3.2 强垂直风切变 (20)7.3.3 水汽辐合和湿舌 (21)7.3.4 急流的作用 (22)7.3.5 低空辐合和上升运动 (23)7.3.6 地形 (23)7.4 中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)中尺度系统发展和大气过程不稳定 (24)7.4.1 对流不稳定 (24)7.4.2 对称不稳定 (26)7.4.3 锋生强迫的次级环流 (28)7.5 中尺度分析 (29)中尺度分析 (29)7.5.1 资料来源及其处理 (29)7.5.2 时空转换分析 (31)7.5.3 相对坐标分析 (32)7.5.4 变量场分析 (34)7.5.5 雨团和雨带分析 (34)习题 (35)参考文献 (35)中尺度天气系统从本世纪50年代初“中尺度”概念引入气象学以来，中尺度气象学得到蓬勃发展，无论是雷达、卫星等新观测技术的广泛使用，还是在组织中尺度野外观测试验、中尺度天气分析或中尺度天气理论研究和数值模拟等方面，都取得了很大进展。
目前中尺度天气预报，特别是暴雨和强对流类天气的局地、短时预报，已成为预报业务工作中的重要内容。
然而，由于在常规天气图上很难发现、诊断和分析中尺度天气系统，作出准确预报仍是天气学面临的重大难题。
天气预报 中尺度分析new
对流的基本要素
• 湿度条件（水汽条件）
• 静力稳定度（不稳定条件）
• 触发条件（抬升条件）
√基本要素
• 湿度条件（水汽条件） • 静力稳定度（不稳定条件） • 触发条件（抬升条件）
√
触发条件
通常为多种触发机制共同造成
• 天气系统：锋面、低涡、低槽、切变线等 • 边界层辐合线： ——地面要素的不连续线：风向or风速（地面辐合 线）、温度（锋面、地表加热不均匀、城市热导 等）、湿度（露点锋∕干线、湿地和植被区）
——雷暴出流边界 ——海风锋 ——地形辐合线等
地形触发—山区多雷暴
10m/s的地面风产生1m/s的上升运动，若持续1个小时，则上升运动将达到3km高度
例：地形辐合线+雷暴出流边界
2012年8月8日过程分析（金晓青）
13时
13时
14时
15时
16时
例：非锋斜压带+出流边界
20130625（张南、张迎新）
• 分析中低层流场，判断有利于触发对流天气的抬升条件。 • 分析层次包括地面、925 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa。 • 主要分析边界层锋区、中低层槽、切变线和辐合线。
边界层锋区
干线（露点锋）
平原：850或925hPa相邻两站Td相差 10℃以上；高原：700hPa相差10℃ 以上
中低层槽、切变线和辐合线
四、垂直风切变条件分析
• 分析对流层各层流场，判断有利于对流天气发生发展和加强的动 力组织条件。
一、水汽条件分析
• 水汽条件分析旨在分析气团的水汽含量和饱和程度，以及它们的 边界。
• 主要分析低层显著湿区、中层干区。 • 分析层次包括925 hPa、850 hPa、700 hPa和500 hPa。
mm5说明书(中文)
中尺度模式（Mesoscale Model 5 v3）用户手册一、概述1.mm5模式系统的结构第五代中尺度模式mm5是近年来由美国大气研究中心（NCAR）和美国滨州大学（PSU）在mm4基础上联合研制发展起来的中尺度数值预报模式，已被广泛应用于各种中尺度现象的研究。
Mm5在以往的模式基础上作了许多变化，主要有以下几点：1）复合区域嵌套功能，2）菲静力部分扩展3）四位数据同化功能以及较多的物理过程参数化，能够方便、广泛地应用于各种计算平台。
这些变化使得许多工作在这一模式系统下建立起来。
图1.1是整个mm5模式系统的结构框图，它表现了模式的模块次序、数据流程以及各模块主要功能的简短说明。
TERRAIN和REGRID模块用来处理在麦卡托或兰博托或极射赤面投影下，地形数据和等压面气象数据从规则经纬网格点到高分辨可变中尺度区域的水平插值。
由于插值不能提供全面的中尺度信息，因此插值数据必须加大，RAWINS/little_r就是用连续扫描Cressman客观分析方法和复合二次曲面技术来处理水平网格观测资料和无线电探空资料。
INTERP模块处理MM5系统中气压坐标到sigma坐标的垂直插值，接近地面的sigma平面与地形相似，高水平sigma面与等压面近似。
MM5模块是系统的核心部分，包含气象过程的主控程序，主要求解大气运动基本方程组。
INTERB模块与INTERP 模块作用相反，主要是把MM5模块计算结果从sigma坐标插值到气压坐标中。
2．Mm5模式的水平和垂直格点介绍模式的格点构造是非常有用的，模式系统通常是从等压面上获得、分析数据的，但是这些资料在进入模式之前不得不被插值到模式的垂直坐标中。
垂直坐标是地形伴随的，也就是在底层水平网格伴随地形，而上层表面是平坦的。
中间层是随着气压的减小趋向顶层气压逐渐变得平坦（如图1.2）。
σ用来定义模式水平层：p是气压，p t是顶层气压，p s是表面气压。
从上图可以看出：在顶层σ等于0，在底层σ等于1，模式的每一水平层由σ值来定义，模式的垂直分辨率由0到1之间的数目决定，通常边界层的分辨率高于顶层分辨率，水平层数尽管原则上没有限制，但通常在10到40层之间变化。
重点区域三公里数值天气预报模式产品说明说明书
区域数值预报产品说明1grib2数据来源为GRAPES-RAFS中尺度数值模式，数据压缩方案为jpeg2000。
2所有产品逐小时提供一个文件，文件名按“中华人民共和国气象行业标准”（详见附件）如下：Z_NAFP_C_BABJ_20160318000000_P_NWPC-GRAPES-3KM-CN-FFFMM.grib2,其中，Z：为数据类型编码方式，为不符合WMO编码格式的气象传输标识;NAFP：为数据类型识别，数值预报模式获得的预报产品;C：为数据生成中心编码方式，按编报中心进行编码;BABJ：为数据生成中心标识,北京;20160318000000为文件的生成时间yyyyMMddhhmmss，使用国际协调时（UTC）;P：为文件属性，预报产品;NWPC：固定编码，标识数据制作单位。
“NWPC”表示中国气象局数值预报中心。
GRAPES：固定编码，标识模式名称。
RAFS：固定编码，表示区域预报模式系统。
CN：固定编码，表示该数据为高分辨率中国区域。
FFFMM：预报输出的时效。
“FFF”为小时（000－240）“MM”为分钟grib2：固定编码，标识文件为grib2格式编码。
每个文件正常大小约27MB,其中000时效约24MB，其他时效27MB4提供利用wgrib2方式直接提取数据转为二进制码和使用GRADS软件直接绘图的说明(附件3)5在/warms9km/readme提供NCL绘图范例draw_case.ncl(附件4) 。
附件3 应用GRADS画图的方法：使用grads绘图需要先使用wgrib2里的g2ctl.pl和gribmap建立数据索引g2ctl.pl -verf GRIB2filename.grb2 > filename.ctlgribmap -i filename.ctl你会看到filename.ctl 和 GRIB2filename.grb2.idx两个数据索引文件然后使用建立的数据索引使用grads读取数据绘图Grads>open filename.ctl>q fileFile 1 : GRIB2filename.grb2Descriptor: filename.ctlBinary: GRIB2filename.grb2Type = GriddedXsize = 751 Ysize = 501 Zsize = 10 Tsize = 1 Esize = 1Number of Variables = 16apcpsfc 0 0,1,8,1 ** surface Total Precipitation [kg/m^2]capesfc 0 0,7,6 ** surface Convective Available Potential Energy [J/kg]cinsfc 0 0,7,7 ** surface Convective Inhibition [J/kg]deprprs 10 0,0,7 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Dew Point Depression (or Deficit) [K]hgtprs 10 0,3,5 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Geopotential Height [gpm]pressfc 0 0,3,0 ** surface Pressure [Pa]prmslmsl 0 0,3,1 ** mean sea level Pressure Reduced to MSL [Pa] rhprs 10 0,1,1 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Relative Humidity [%]rh2m 0 0,1,1 ** 2 m above ground Relative Humidity [%]tmpprs 10 0,0,0 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) Temperature [K]tmp2m 0 0,0,0 ** 2 m above ground Temperature [K]ugrdprs 10 0,2,2 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) U-Component of Wind [m/s]ugrd10m 0 0,2,2 ** 10 m above ground U-Component of Wind [m/s] vgrdprs 10 0,2,3 ** (1000 925 850 700 600.. 500 400 300 200 100) V-Component of Wind [m/s]vgrd10m 0 0,2,3 ** 10 m above ground V-Component of Wind [m/s] var016224sfc 0 0,16,224 ** surface desc [unit]>d apcpsfc附件4 应用NCL绘图脚本范例（animate.ncl）：;==================================================================== ==; animate_2.ncl;; Concepts illustrated:; - Creating animations; - Animating TMP of all levels;==================================================================== ==load "$NCARG_ROOT/lib/ncarg/nclscripts/csm/gsn_code.ncl"load "$NCARG_ROOT/lib/ncarg/nclscripts/csm/gsn_csm.ncl";==================================================================== ==; The main code;==================================================================== ==begin;---Read desired datasrcFileName = "/cma/g1/nwp_sp/NWP_PST_DATA/TOGRIB2/rundir/output/test/shanghai_2016 080212024.grb2"sfile = addfile(srcFileName,"r")TMP = sfile->TMP_P0_L100_GLL0TMP@lat2d = sfile->lat_0 ; for plottingTMP@lon2d = sfile->lon_0printVarSummary(TMP)printVarSummary(sfile->lat_0)printVarSummary(sfile->lon_0);---For zooming in on mapminlat = 15.0maxlat = 55.0minlon = 70.0maxlon = 140.0;---Get dimensionsdims = dimsizes(TMP)nlev = dims(0)nlat = dims(1)nlon = dims(2);---Set some resourcesres = Trueres@gsnMaximize = Trueres@cnFillOn = Trueres@cnLinesOn = Falseres@cnLineLabelsOn = Falseres@cnLevelSelectionMode = "ExplicitLevels"res@cnLevels = ispan(200,323,3)res@cnFillPalette = "WhViBlGrYeOrReWh"res@mpMinLatF = minlatres@mpMaxLatF = maxlatres@mpMinLonF = minlonres@mpMaxLonF = maxlonres@mpCenterLonF = (minlon+maxlon)*0.5res@mpCenterLatF = (minlat+maxlat)*0.5res@pmTickMarkDisplayMode = "Always"res@lbLabelFontHeightF = 0.01res@gsnAddCyclic = False ; this is regional data;---Loop across each level and plot to a different PNG file every time do n=0,nlev-1wks = gsn_open_wks("png","animate"+sprinti("%02i",n)) ; animate_00.png, animate_01.png, etcprint("level(" + n + ") = " + TMP&lv_ISBL0(n))res@gsnRightString = "level = " + TMP&lv_ISBL0(n) + " (" + TMP&lv_ISBL0@units + ")"plot = gsn_csm_contour_map(wks,TMP(n,:,:),res)delete(wks) ; Make sure PNG file is closedend do;---Convert PNG images to animated GIFcmd = "convert -delay 25 animate*.png animate_2.gif"system(cmd)end。
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高分辨率、流体非静力中尺度模式 MM5, RAMS, WRF
Forecasters should be aware that the detailed forecasts generated by mesoscale models are often best used as guidelines for what may occur, with the knowledge that the location and timing may have considerable error.
划分
数值方法：谱模式、差分模式，有限元模式 模拟区域：全球模式，区域模式 现象尺度：气候模式，天气尺度模式， 中小尺度 模式，微尺度模式
GCM ECWMF NCEP；MM5，RAMS；METRAS MOM POM HAMSAM SWAN
Too many！
Who?
Numerical weather prediction was attempted first by Lewis F. Richardson in 1922
中尺度模式结果的重要性 取决于研究现象的尺度
中尺度模式通常能提供天气现象的更多细节 特别是在山地与海岸地区
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
对于一种特定的现象需要多大的水平格距？
例子 1
理解与认识
• 关于数值天气预报的10个常见错误概念！
Ten Common NWP Misconceptions
10个常见错误概念
• • • • • • • • • • 分析必须与观测一致 高分辨率可解决一切问题 地表条件已经精确给定 对流参数化的主要目的就是预报对流降水 能预报好天气系统就意味也能预报好对流 数值预报模式能直接预报近地面变量 晴天情况下的辐射影响很容易处理 20km的格距能分辨特征长度为40km的现象 一旦模式改进，MOS预报会随之改进 模式的输出诊断必须用到每一个格点的值
• 谚语：罗马人与青蛙 大约在公元前278年，青蛙首次出现在气象学上。 “如果青蛙在沼泽里一直单调地叫着，将会有滂 沱大雨。” 古罗马诗人维吉尔在《农事诗》中写道：“如果 看到鹤从河谷地往上飞的景象，下雷雨则是农夫 意料中的事。”
现代气象学
• 天气——战场决胜的因素
恺撒攻打不列颠（公元前55年，风暴） 英法百年战争（1346，1415，大雨） 拿破仑进攻俄国、滑铁卢之战（1788，大雨、大冰雹） 忽必烈攻打日本（1274，1281，台风）
积云（对流）参数化非常重要，但是……
6：数值预报模式能直接预报近地面变量
模式地面2m温度的计算
有地形存在时，数值预报模式更难预报近地面变量！
不同的模式计算地面变量区别很大
7：晴天情况下的辐射影响很容易处理
必须考虑云的影响
为什么辐射不能被很好地处理
1：层平均 2：平均变量 3：云类型判断不准 4：影响地面，从而影响 边界层，……
• 现代气象学诞生于风暴之中
1854年11月14日，一场强烈的风暴使法军的亨利四世号军舰及38 艘商船毁坏殆尽，400人死亡！ 天文学家调查的结果是：风暴在11月12日即以存在，在两天之内 自西北向东南席卷整个欧洲。指出：影响天气的因子当中，大部 分都具有迁移性。 现代气象学于是迈出了它的第一步！
监测网的建立
• • • • • 举例：屋子里气球的漂移 介绍初始条件、时变边界条件 动力框架与热力框架 参数化问题 数值计算问题（计算量、误差）
模式
从数学角度来讲，气象/海洋 模式就是一组数学物理方程。给定 初始条件（与时间有关的参数）与 边界条件（与空间有关的参数）， 就可以得到这组数学物理方程的解。
1 2 h( z , t ) z gt 2
流体非静力可以直接预报垂直运动导致的现象， 而流体静力只能推断……
流体非静力模式多出一个预报方程 多数流体非静力模式基于垂直高度z
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
水平分辨率不可能无限地小……
有些物理过程我们还没有弄懂……
垂直分辨率的影响
挑战与展望
提高分辨率！
改进参数化方案！
加强数据同化！
Lorenz系统
观测数据在“爆炸”
挑战主要体现在以下三个方面：
• 分辨率较粗 改进模式 提高计算资源
• 参数化错误
改进参数化方案
• 初始化不够精确
（初值场与边界 条件）
数据同化
单一模式而言！ 决定性预报 Nhomakorabea不同模式有不同的特征
介绍
• 中尺度模式是什么？它们为什么有用？ • 有足够的水平与垂直分辨率去预报中尺度天气现象的 数值预报模式 • 这些现象通常受地形与海岸线强迫，包含最严重的天 气灾害如龙卷与中尺度对流系统。
中尺度气象研究内容
中尺度现象
中尺度模式通常是有限区域模式
地球模拟器
性能相当于20万台个人电脑 在试运行中，将地表分割为大约10公里见方的区域，模 拟大气及海流的变化情况。模拟地球上1天的大气流动， 只用40分钟。
5：辐射计算很耗计算 时间，因此模式通常 每个一段时间才计算 一次
8： 20km的格距能分辨特征长度为40km的现象
理想情况
结论：
20km分辨率一般连具有80km特征尺度的 现象都不能很好地分辨！
实际情况
分辨率决定对不同特征尺度现象的模拟能力
9：一旦模式改进，MOS预报会随之改进
线性回归
• 提高分辨率
描述更多细节，避免对流参数化，….
• 数据同化
提高初值场的质量，….
• 发展多尺度通用模式
减小嵌套误差，….
• 采用集合预报
Hope
短时预报
数值预报在不断进步……！
MM5实时预报系统 http://211.64.128.24
Thank you very much!
垂直方向上需要多少层？
垂直分层的原则
不同的模式有不同的垂直坐标系统
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介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
几乎所有谱模式与大多数格点模式 采用流体静力假设！但是……
流体静力假设适用于 天气尺度，全球尺度 以及一些中尺度系统 水平尺度与垂直尺度相当， 必须考虑流体非静力。 如重力波、强对流系统。
背对地面风，顺时针转30º ，低压在左，高压在右。
地面站
探空站
锋面气旋理论
• 槽来脊往 • 需要经验 • 但是不能总靠经验，因为这种东西很难 从父亲传给儿子
数值天气预报思想的诞生
• 经典物理学的发展历史
• 流体力学控制方程
• V. Bjerknes 于1904年首先指出 • 基于计算机
数值天气预报模式
有些物理过程太复杂……
有些物理过程的影响必须考虑……
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介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
边界条件
初始条件
时变侧边界条件
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介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
对流参数化的主要目的是……
考虑模式格点不能分辨的对流活动对格点的影响（反馈）
模式 格点 内部 对流 实际 情况 与 模式 预报 情况 对比
无参数化
5：能预报好天气系统就意味也能预报好对流
苏格拉底说：
“人总是要死的，我是人，所以我也要死的。”
即使天气形势及其特征被预报得相当准确，对流有关 预报如降水、温度、湿度、风与气压可能很离谱！
初始时刻模式分析与观测的对比
模式预报与观测的对比
细网格结果往往与粗网格有“很大的区别” ？
降水预报仍是个难题！
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介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
• 1：中尺度模式地面预报比高空预报结果好？
• 2：怎么确定模式初值场的好坏？ • 3：中尺度模式预报精度比全球模式下降要快？
Based on the idea of Bjerknes
1950年，第一次数值 天气预报取得成功！
北美500hPa高度场
正压过滤模式
数值预报流程图
中尺度天气预报模式 是如何工作的？
内容
• • • • • • • • 介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
中尺度数值天气预报模式
高山红 中国海洋大学
内容
• • • • 数值天气预报的发展历史 中尺度天气预报模式是如何工作的？ 理解与认识 挑战与展望
数值天气预报的发展历史
• 古代气象学
观测：中国人最早开始有规律地记载对气象的 观察。远在公元前1300年的殷商时期，就有了 连续10天描述天空的特征、雪的厚度以及风的 特征等记录。到了周朝（公元前1066年），对 气候的描述才开始正式列入历史的记载。
1：分析必须与观测一致 （00h预报应该与观测非常接近）
应该考虑模式格点的离散性！
2：高分辨率可解决一切问题
分辨率的提高能改进降水预报结果！
2000年12月30日风暴 造成的总降水分布
又一个好例子
一个坏例子
3：地表条件已经精确给定
地表植被与地形高度
植被的逐月变化
植被的重要性
4：对流参数化的主要目的就是预报对流降水
Monterey Bay wind eddies