中尺度數(shù)值天氣預報模式

1、中尺度數(shù)值天氣預報模式中尺度數(shù)值天氣預報模式高山紅高山紅中國海洋大學中國海洋大學內(nèi)容內(nèi)容 數(shù)值天氣預報的發(fā)展歷史數(shù)值天氣預報的發(fā)展歷史 中尺度天氣預報模式是如何工作的？中尺度天氣預報模式是如何工作的？ 理解與認識理解與認識 挑戰(zhàn)與展望挑戰(zhàn)與展望數(shù)值天氣預報的發(fā)展歷史數(shù)值天氣預報的發(fā)展歷史 古代氣象學古代氣象學 觀測觀測：中國人最早開始有規(guī)律地記載對氣象的：中國人最早開始有規(guī)律地記載對氣象的觀察。遠在公元前觀察。遠在公元前1300年的殷商時期，就有了年的殷商時期，就有了連續(xù)連續(xù)10天描述天空的特征、雪的厚度以及風的天描述天空的特征、雪的厚度以及風的特征等記錄。到了周朝（公元前特征等記錄。到了周朝

2、（公元前1066年），對年），對氣候的描述才開始正式列入歷史的記載。氣候的描述才開始正式列入歷史的記載。 諺語諺語：羅馬人與青蛙：羅馬人與青蛙 大約在公元前大約在公元前278年，青蛙首次出現(xiàn)在氣象學上。年，青蛙首次出現(xiàn)在氣象學上。 “如果青蛙在沼澤里一直單調(diào)地叫著，將會有滂如果青蛙在沼澤里一直單調(diào)地叫著，將會有滂沱大雨。沱大雨。” 古羅馬詩人維吉爾在古羅馬詩人維吉爾在農(nóng)事詩農(nóng)事詩中寫道：中寫道：“如果如果看到鶴從河谷地往上飛的景象，下雷雨則是農(nóng)夫看到鶴從河谷地往上飛的景象，下雷雨則是農(nóng)夫意料中的事。意料中的事。”現(xiàn)代氣象學現(xiàn)代氣象學 天氣天氣戰(zhàn)場決勝的因素戰(zhàn)場決勝的因素 愷撒攻打不列顛（公元前

3、愷撒攻打不列顛（公元前55年，風暴）年，風暴） 英法百年戰(zhàn)爭（英法百年戰(zhàn)爭（1346，1415，大雨），大雨） 拿破侖進攻俄國、滑鐵盧之戰(zhàn)（拿破侖進攻俄國、滑鐵盧之戰(zhàn)（1788，大雨、大冰雹），大雨、大冰雹） 忽必烈攻打日本（忽必烈攻打日本（1274，1281，臺風），臺風） 現(xiàn)代氣象學誕生于風暴之中現(xiàn)代氣象學誕生于風暴之中 1854年年11月月14日，一場強烈的風暴使法軍的亨利四世號軍艦及日，一場強烈的風暴使法軍的亨利四世號軍艦及38艘商船毀壞殆盡，艘商船毀壞殆盡，400人死亡！人死亡！ 天文學家調(diào)查的結果是：風暴在天文學家調(diào)查的結果是：風暴在11月月12日即以存在，在兩天之內(nèi)日即以存在，在

4、兩天之內(nèi)自西北向東南席卷整個歐洲自西北向東南席卷整個歐洲。指出：影響天氣的因子當中，大部指出：影響天氣的因子當中，大部分都具有遷移性。分都具有遷移性。 現(xiàn)代氣象學于是邁出了它的第一步！現(xiàn)代氣象學于是邁出了它的第一步！監(jiān)測網(wǎng)的建立監(jiān)測網(wǎng)的建立 法國設立監(jiān)測網(wǎng)（最初有法國設立監(jiān)測網(wǎng)（最初有24個，其中個，其中13個以電個以電報互相聯(lián)系）；至報互相聯(lián)系）；至1865年，整個歐洲氣象網(wǎng)有年，整個歐洲氣象網(wǎng)有59個站。個站。 觀測結果：觀測結果： 天氣的變化，似乎與氣壓表讀出的大氣壓力關天氣的變化，似乎與氣壓表讀出的大氣壓力關系密切。系密切。早期的天氣圖早期的天氣圖1877, newspaper, Sy

5、dney1885, western Europe地面等壓線外推法地面等壓線外推法 荷蘭的白貝羅與白貝羅定律（荷蘭的白貝羅與白貝羅定律（Buys-Ballot,1817-1890)背對地面風，順時針轉(zhuǎn)30，低壓在左，高壓在右。地面站地面站探空探空站站鋒面氣旋理論鋒面氣旋理論 槽來脊往槽來脊往 需要經(jīng)驗需要經(jīng)驗 但是不能總靠經(jīng)驗，因為這種東西很難但是不能總靠經(jīng)驗，因為這種東西很難從父親傳給兒子從父親傳給兒子數(shù)值天氣預報思想的誕生數(shù)值天氣預報思想的誕生 經(jīng)典物理學的發(fā)展歷史經(jīng)典物理學的發(fā)展歷史 流體力學控制方程流體力學控制方程 V. Bjerknes 于于1904年首先指出年首先指出 基于計算機基于

6、計算機數(shù)值天氣預報模式數(shù)值天氣預報模式 舉例：屋子里氣球的漂移舉例：屋子里氣球的漂移 介紹初始條件、時變邊界條件介紹初始條件、時變邊界條件 動力框架與熱力框架動力框架與熱力框架 參數(shù)化問題參數(shù)化問題 數(shù)值計算問題（計算量、誤差數(shù)值計算問題（計算量、誤差） 模式模式 從數(shù)學角度來講，氣象從數(shù)學角度來講，氣象/海洋海洋模式就是一組數(shù)學物理方程。給定模式就是一組數(shù)學物理方程。給定初始條件（與時間有關的參數(shù)）與初始條件（與時間有關的參數(shù)）與邊界條件（與空間有關的參數(shù)），邊界條件（與空間有關的參數(shù)），就可以得到這組數(shù)學物理方程的解。就可以得到這組數(shù)學物理方程的解。 221),(gtztzh初值條件初值條

7、件 邊界條件邊界條件 氣象模式是一組非常復雜的偏微氣象模式是一組非常復雜的偏微分方程組，必須通過數(shù)值方法（數(shù)值分方程組，必須通過數(shù)值方法（數(shù)值離散化）才能得到其解。離散化）才能得到其解。 DuruwewxmvymufuVpxppxppmtuearthcos)()(* 劃分劃分數(shù)值方法：譜模式、差分模式，有限元模式數(shù)值方法：譜模式、差分模式，有限元模式模擬區(qū)域：全球模式，區(qū)域模式模擬區(qū)域：全球模式，區(qū)域模式現(xiàn)象尺度：氣候模式，天氣尺度模式，現(xiàn)象尺度：氣候模式，天氣尺度模式， 中小尺度中小尺度 模式，微尺度模式模式，微尺度模式GCMECWMF NCEP；MM5，RAMS；METRASMOM POM

8、 HAMSAMSWAN Too many！Numerical weather prediction was attempted first by Lewis F. Richardson in 1922Based on the idea of Bjerknes Who?1950年，第一次數(shù)值年，第一次數(shù)值天氣預報取得成功！天氣預報取得成功！北美北美500hPa高度場高度場正壓過濾模式正壓過濾模式數(shù)值預報流程圖數(shù)值預報流程圖中尺度天氣預報模式中尺度天氣預報模式是如何工作的？是如何工作的？內(nèi)容內(nèi)容 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化

9、參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹介紹介紹 中尺度模式是什么？它們?yōu)槭裁从杏?？中尺度模式是什么？它們?yōu)槭裁从杏茫?有足夠的水平與垂直分辨率去預報中尺度天氣現(xiàn)象的有足夠的水平與垂直分辨率去預報中尺度天氣現(xiàn)象的數(shù)值預報模式數(shù)值預報模式 這些現(xiàn)象通常受地形與海岸線強迫，包含最嚴重的天這些現(xiàn)象通常受地形與海岸線強迫，包含最嚴重的天氣災害如龍卷與中尺度對流系統(tǒng)。氣災害如龍卷與中尺度對流系統(tǒng)。中尺度氣象研究內(nèi)容中尺度氣象研究內(nèi)容中尺度現(xiàn)象中尺度現(xiàn)象中尺度模式通常是有限區(qū)域模式中尺度模式通常是有限區(qū)域模式地球模擬器地球模擬器性能相當于性能相當于

10、20萬臺個人電腦萬臺個人電腦 在試運行中，將地表分割為大約在試運行中，將地表分割為大約10公里見方的區(qū)域，模公里見方的區(qū)域，模擬大氣及海流的變化情況。模擬地球上擬大氣及海流的變化情況。模擬地球上1天的大氣流動，天的大氣流動，只用只用40分鐘。分鐘。中尺度模式結果的重要性中尺度模式結果的重要性取決于研究現(xiàn)象的尺度取決于研究現(xiàn)象的尺度中尺度模式通常能提供天氣現(xiàn)象的更多細節(jié)中尺度模式通常能提供天氣現(xiàn)象的更多細節(jié)特別是在山地與海岸地區(qū)特別是在山地與海岸地區(qū) 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使

11、用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率對于一種特定的現(xiàn)象需要多大的水平格距對于一種特定的現(xiàn)象需要多大的水平格距？例子例子 1Monterey Bay wind eddies例子例子 2一個實際例子一個實際例子水平格距的縮小會成倍地增加計算量！水平格距的縮小會成倍地增加計算量！采用嵌套技術既提高分辨率又節(jié)約計算量采用嵌套技術既提高分辨率又節(jié)約計算量10 km3 km1 km 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個

12、問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率垂直方向上需要多少層？垂直方向上需要多少層？垂直分層的原則垂直分層的原則不同的模式有不同的垂直坐標系統(tǒng)不同的模式有不同的垂直坐標系統(tǒng) 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力幾乎所有譜模式與大多數(shù)格點模式幾乎所有譜模式與大多數(shù)格點模式采用流體靜力假設！但是采用流體靜力假設！但是流體靜力假設適用于

13、流體靜力假設適用于天氣尺度，全球尺度天氣尺度，全球尺度以及一些中尺度系統(tǒng)以及一些中尺度系統(tǒng)水平尺度與垂直尺度相當，水平尺度與垂直尺度相當，必須考慮流體非靜力。必須考慮流體非靜力。如重力波、強對流系統(tǒng)。如重力波、強對流系統(tǒng)。流體非靜力可以直接預報垂直運動導致的現(xiàn)象，流體非靜力可以直接預報垂直運動導致的現(xiàn)象，而流體靜力只能推斷而流體靜力只能推斷流體非靜力模式多出一個預報方程流體非靜力模式多出一個預報方程多數(shù)流體非靜力模式基于垂直高度多數(shù)流體非靜力模式基于垂直高度z 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件

14、與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化水平分辨率不可能無限地小水平分辨率不可能無限地小有些物理過程我們還沒有弄懂有些物理過程我們還沒有弄懂有些物理過程太復雜有些物理過程太復雜有些物理過程的影響必須考慮有些物理過程的影響必須考慮 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率

15、 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化邊界條件邊界條件初始條件初始條件時變側(cè)邊界條件時變側(cè)邊界條件 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式高分辨率、流體非靜力中尺度模式高分辨率、流體非靜力中尺度模式MM5, RAMS, W

16、RFForecasters 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.初始時刻模式分析與觀測的對比初始時刻模式分析與觀測的對比模式預報與觀測的對比模式預報與觀測的對比細網(wǎng)格結果往往與粗網(wǎng)格有細網(wǎng)格結果往往與粗網(wǎng)格有“很大的區(qū)別很大的區(qū)

17、別” ？降水預報仍是個難題！降水預報仍是個難題！ 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 介紹介紹 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流體靜力與流體非靜力流體靜力與流體非靜力 參數(shù)化參數(shù)化 邊界條件與初值化邊界條件與初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三個問題三個問題 1：中尺度模式地面預報比高空預報結果好？：中尺度模式地面預報比高空預報結果好？ 2：怎么確定模式初值場的好壞？：怎么確定模式初值場的好壞？ 3：中尺度模式預報精度比全

18、球模式下降要快？：中尺度模式預報精度比全球模式下降要快？理解與認識理解與認識 關于數(shù)值天氣預報的關于數(shù)值天氣預報的10個常見錯誤概念！個常見錯誤概念！Ten Common NWP Misconceptions10個常見錯誤概念個常見錯誤概念 分析必須與觀測一致分析必須與觀測一致 高分辨率可解決一切問題高分辨率可解決一切問題 地表條件已經(jīng)精確給定地表條件已經(jīng)精確給定 對流參數(shù)化的主要目的就是預報對流降水對流參數(shù)化的主要目的就是預報對流降水 能預報好天氣系統(tǒng)就意味也能預報好對流能預報好天氣系統(tǒng)就意味也能預報好對流 數(shù)值預報模式能直接預報近地面變量數(shù)值預報模式能直接預報近地面變量 晴天情況下的輻射影

19、響很容易處理晴天情況下的輻射影響很容易處理 20km的格距能分辨特征長度為的格距能分辨特征長度為40km的現(xiàn)象的現(xiàn)象 一旦模式改進，一旦模式改進，MOS預報會隨之改進預報會隨之改進 模式的輸出診斷必須用到每一個格點的值模式的輸出診斷必須用到每一個格點的值1：分析必須與觀測一致：分析必須與觀測一致（00h預報應該與觀測非常接近）預報應該與觀測非常接近）應該考慮模式格點的離散性！應該考慮模式格點的離散性！2：高分辨率可解決一切問題：高分辨率可解決一切問題2000年年12月月30日風暴日風暴造成的總降水分布造成的總降水分布分辨率的提高能改進降水預報結果！分辨率的提高能改進降水預報結果！又一個好例子又

20、一個好例子一個壞例子一個壞例子3：地表條件已經(jīng)精確給定地表條件已經(jīng)精確給定地表植被與地形高度地表植被與地形高度植被的逐月變化植被的逐月變化植被的重要性植被的重要性4：對流參數(shù)化的主要目的就是預報對流降水：對流參數(shù)化的主要目的就是預報對流降水對流參數(shù)化的主要目的是對流參數(shù)化的主要目的是考慮模式格點不能分辨的對流活動對格點的影響（反饋）考慮模式格點不能分辨的對流活動對格點的影響（反饋）模式模式格點格點內(nèi)部內(nèi)部對流對流實際實際情況情況與與模式模式預報預報情況情況對比對比無參數(shù)化無參數(shù)化5：能預報好天氣系統(tǒng)就意味也能預報好對流能預報好天氣系統(tǒng)就意味也能預報好對流蘇格拉底說：蘇格拉底說： “人總是要死的

21、，我是人，所以我也要死的。人總是要死的，我是人，所以我也要死的?！?即使天氣形勢及其特征被預報得相當準確，對流有關即使天氣形勢及其特征被預報得相當準確，對流有關預報如降水、溫度、濕度、風與氣壓可能很離譜！預報如降水、溫度、濕度、風與氣壓可能很離譜！ 積云（對流）參數(shù)化非常重要，但是積云（對流）參數(shù)化非常重要，但是6：數(shù)值預報模式能直接預報近地面變量：數(shù)值預報模式能直接預報近地面變量模式地面模式地面2m溫度的計算溫度的計算有地形存在時，數(shù)值預報模式更難預報近地面變量！有地形存在時，數(shù)值預報模式更難預報近地面變量！不同的模式計算地面變量區(qū)別很大不同的模式計算地面變量區(qū)別很大7：晴天情況下的輻射影響

22、很容易處理晴天情況下的輻射影響很容易處理必須考慮云的影響必須考慮云的影響為什么輻射不能被很好地處理為什么輻射不能被很好地處理1：層平均：層平均2：平均變量：平均變量3：云類型判斷不準：云類型判斷不準4：影響地面，從而影響：影響地面，從而影響 邊界層，邊界層，5：輻射計算很耗計算：輻射計算很耗計算 時間，因此模式通常時間，因此模式通常 每個一段時間才計算每個一段時間才計算 一次一次8： 20km的格距能分辨特征長度為的格距能分辨特征長度為40km的現(xiàn)象的現(xiàn)象理想情況理想情況實際情況實際情況結論：結論：20km分辨率一般連具有分辨率一般連具有80km特征尺度的特征尺度的現(xiàn)象都不能很好地分辨！現(xiàn)象都不能很好地分辨！分辨率決定對不同特征尺度現(xiàn)象的模擬能力分辨率決定對不同特征尺度現(xiàn)象的模擬能力9：一旦模式改進，一旦模式改進，MOS預報會隨之改進預報會隨之改進線性回歸線性回歸卡爾曼濾波卡爾曼濾波 如果如果MOS預報方程不更新，會造成預報方程不更新，會造成MOS預報結果預報結果 反而變壞反而變壞 MOS預報往往不能適應預報往往不能適應“新情況新情況” 一旦模式改進，一旦模式改進，1：模式改進：模式改進2：異常情況：異常情況3：沒有考慮中尺度特征：沒有考慮中尺度特征10：模式的輸出診斷必須用到每一個格點的值：模式的輸出診斷必須用到每一