第1講 動(dòng)力框架

1、及其產(chǎn)品應(yīng)用及其產(chǎn)品應(yīng)用培訓(xùn)培訓(xùn)大綱的大綱的內(nèi)容和要求內(nèi)容和要求 第一章第一章 數(shù)值預(yù)報(bào)模式（數(shù)值預(yù)報(bào)模式（8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第二章第二章 中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品介紹中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品介紹（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第三章第三章 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用（數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 培訓(xùn)內(nèi)容：培訓(xùn)內(nèi)容：模式方程組；模式垂直坐標(biāo)系特點(diǎn)及局限性；模式方程組；模式垂直坐標(biāo)系特點(diǎn)及局限性；水平分辨率與垂直分辨率；空間差分方案；時(shí)間積分方案；水平分辨率與垂直分辨率；空間差分方案；時(shí)間積分方案；初值形成；初值形成；輻射過(guò)程參數(shù)化；云與降水過(guò)程參數(shù)化；陸面過(guò)輻射過(guò)程參數(shù)化；云與降水過(guò)程參數(shù)化；陸面過(guò)程

2、參數(shù)化；湍流過(guò)程參數(shù)化。大氣的可預(yù)報(bào)性與集合預(yù)報(bào)。程參數(shù)化；湍流過(guò)程參數(shù)化。大氣的可預(yù)報(bào)性與集合預(yù)報(bào)。 培訓(xùn)要求：培訓(xùn)要求：了解原始方程模式方程組；了解靜力近似對(duì)模了解原始方程模式方程組；了解靜力近似對(duì)模式的影響，理解數(shù)值模式垂直坐標(biāo)的特點(diǎn)；理解空間分辨率式的影響，理解數(shù)值模式垂直坐標(biāo)的特點(diǎn)；理解空間分辨率的影響；理解空間差分的特點(diǎn)與局限性；理解時(shí)間積分的特的影響；理解空間差分的特點(diǎn)與局限性；理解時(shí)間積分的特點(diǎn)與局限性；了解計(jì)算誤差；了解各種參數(shù)化方案的特點(diǎn)及點(diǎn)與局限性；了解計(jì)算誤差；了解各種參數(shù)化方案的特點(diǎn)及局限性；了解數(shù)據(jù)同化的概念與用途；了解集合預(yù)報(bào)的原理局限性；了解數(shù)據(jù)同化的概念與用途

3、；了解集合預(yù)報(bào)的原理及作用。及作用。 培訓(xùn)內(nèi)容：培訓(xùn)內(nèi)容：業(yè)務(wù)數(shù)值模式產(chǎn)品；日本數(shù)值模式產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)值模式產(chǎn)品；日本數(shù)值模式產(chǎn)品傳真圖。品傳真圖。 培訓(xùn)要求：培訓(xùn)要求：初步掌握中短期預(yù)報(bào)所用的主要模式初步掌握中短期預(yù)報(bào)所用的主要模式的產(chǎn)品；了解日本傳真圖的命名方式，初步理解的產(chǎn)品；了解日本傳真圖的命名方式，初步理解傳真圖的應(yīng)用；了解產(chǎn)品檢驗(yàn)的基本方法，初步傳真圖的應(yīng)用；了解產(chǎn)品檢驗(yàn)的基本方法，初步理解各模式的預(yù)報(bào)性能。理解各模式的預(yù)報(bào)性能。 培訓(xùn)內(nèi)容：培訓(xùn)內(nèi)容：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)和方法。方法。 培訓(xùn)要求：培訓(xùn)要求：了解數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技了解數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技

4、術(shù)和方法，以及特點(diǎn)及局限性。術(shù)和方法，以及特點(diǎn)及局限性。數(shù)值數(shù)值天氣天氣預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)及其產(chǎn)品及其產(chǎn)品應(yīng)用應(yīng)用（課表安排）（課表安排）10.22(三三) 上午上午數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（一）數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（一） 動(dòng)力框架動(dòng)力框架鞏遠(yuǎn)發(fā)鞏遠(yuǎn)發(fā)10.31(五五) 上午上午數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（二數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（二） 物理過(guò)程物理過(guò)程鞏遠(yuǎn)發(fā)鞏遠(yuǎn)發(fā)11.06(四四) 上午上午數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（三）數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（三） 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同化同化朱克云朱克云11.25(二二) 上午上午數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（四數(shù)值預(yù)報(bào)簡(jiǎn)介（四） 常用常用數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)值預(yù)報(bào)模式簡(jiǎn)介模式簡(jiǎn)介 （EC，NCEP，T639）鞏遠(yuǎn)發(fā)鞏遠(yuǎn)發(fā)12.01(一一) 上午上午講座：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品

5、統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)簡(jiǎn)講座：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)簡(jiǎn)介介01鞏遠(yuǎn)發(fā)鞏遠(yuǎn)發(fā)12.02(二二) 上午上午講座：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)簡(jiǎn)講座：數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用技術(shù)簡(jiǎn)介介02鞏遠(yuǎn)發(fā)鞏遠(yuǎn)發(fā)1. 沈桐立，田永祥，沈桐立，田永祥，陸維松陸維松等等. 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)值天氣預(yù)報(bào). 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，20102. Haltiner G J， Williams R T. Numerical Prediction and Dynamical Meteorology. Wiley， New York， 19803. Holton J R. An Introduction to Dynamic Mete

6、orology. Third Edition， Academic Press， 19924. 廖洞賢，王兩銘廖洞賢，王兩銘. 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)原理及其應(yīng)用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)原理及其應(yīng)用. 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，19865. 張玉玲，吳輝碇，王曉林張玉玲，吳輝碇，王曉林. 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)值天氣預(yù)報(bào). 北京：科學(xué)氣象出版社，北京：科學(xué)氣象出版社，19866. 周毅，侯志明，劉宇迪等周毅，侯志明，劉宇迪等. 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基礎(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基礎(chǔ). 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，20037. 周毅，劉宇迪，桂祁軍等周毅，劉宇迪，桂祁軍等. 現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào). 北京：氣象出版社，北

7、京：氣象出版社，20028. 孔玉壽，章東華孔玉壽，章東華. 現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)技術(shù). 北京：氣象出版社，北京：氣象出版社，2000第一講第一講 動(dòng)力框架動(dòng)力框架一一 引論引論二二 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式方程組數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式方程組 三三 模式垂直坐標(biāo)系特點(diǎn)及局限性模式垂直坐標(biāo)系特點(diǎn)及局限性四四 水平分辨率與垂直分辨率水平分辨率與垂直分辨率五五 簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單的空間差分空間差分和和時(shí)間積分方案時(shí)間積分方案一一 引論引論1 天氣預(yù)報(bào)天氣預(yù)報(bào)的分類的分類2 什么什么是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是數(shù)值天氣預(yù)報(bào) 3 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(模式模式)發(fā)展發(fā)展4 集合集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)5 目前目前的數(shù)值預(yù)

8、報(bào)的數(shù)值預(yù)報(bào)水平水平6 數(shù)值預(yù)報(bào)模式的分類數(shù)值預(yù)報(bào)模式的分類 什么是天氣預(yù)報(bào)什么是天氣預(yù)報(bào) 天氣預(yù)報(bào)的分類天氣預(yù)報(bào)的分類 短期天氣預(yù)報(bào)、中期天氣預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)短期天氣預(yù)報(bào)、中期天氣預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào) 臨近預(yù)報(bào)臨近預(yù)報(bào) 、氣候預(yù)測(cè)、氣候預(yù)測(cè) 天氣學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)天氣學(xué)方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào) 1-6小時(shí)之內(nèi)則為短臨預(yù)報(bào)（臨近預(yù)報(bào)）小時(shí)之內(nèi)則為短臨預(yù)報(bào)（臨近預(yù)報(bào)） 1-2天為短期天氣預(yù)報(bào)天為短期天氣預(yù)報(bào) 3-15天為中期天氣預(yù)報(bào)天為中期天氣預(yù)報(bào) 月、季為長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)月、季為長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào) 氣候預(yù)測(cè)氣候預(yù)測(cè) 應(yīng)用計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值求解流體力學(xué)、熱力學(xué)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值求解流體力學(xué)、熱力

9、學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)的預(yù)報(bào)方程組，來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)。動(dòng)力氣象學(xué)的預(yù)報(bào)方程組，來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)。 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是根據(jù)大氣的運(yùn)動(dòng)方程組，在一定初始條根據(jù)大氣的運(yùn)動(dòng)方程組，在一定初始條件和邊界條件下，即從現(xiàn)在時(shí)刻的天氣狀況或大氣運(yùn)動(dòng)件和邊界條件下，即從現(xiàn)在時(shí)刻的天氣狀況或大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)狀態(tài)( (邊界條件和初始條件邊界條件和初始條件) )，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，用計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，用計(jì)算機(jī)求解描寫天氣演變過(guò)程的大氣運(yùn)動(dòng)求解描寫天氣演變過(guò)程的大氣運(yùn)動(dòng)( (流體力學(xué)和熱力學(xué)流體力學(xué)和熱力學(xué)) )方程組，得到方程組，得到( (預(yù)報(bào)出預(yù)報(bào)出) )未來(lái)天氣狀況和大氣運(yùn)動(dòng)變化狀未來(lái)天氣狀況和大氣運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)的方法。

10、態(tài)的方法。 不同于傳統(tǒng)的天氣學(xué)方法的不同于傳統(tǒng)的天氣學(xué)方法的定性的和主觀的定性的和主觀的預(yù)報(bào)，數(shù)值預(yù)報(bào)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)是定量的和客觀的定量的和客觀的預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)。 2022-6-26142022-6-26152022-6-2616 1904年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)思想的提出年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)思想的提出 ( Bjerknes ) 1922年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的嘗試年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的嘗試-原始方程模式原始方程模式 (Richardson) 1930年代和年代和1940年代高空觀測(cè)網(wǎng)的建立、動(dòng)力氣象理論年代高空觀測(cè)網(wǎng)的建立、動(dòng)力氣象理論的發(fā)展的發(fā)展 ( Rossby ) 1950年首次成功的北美地區(qū)年首次成功的北美

11、地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)的高度場(chǎng)的24小時(shí)預(yù)小時(shí)預(yù)報(bào)報(bào) 準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式 ( Charney, Von Neumann ) 1959年利用原始方程模式作預(yù)報(bào)獲得了成功，其效果與年利用原始方程模式作預(yù)報(bào)獲得了成功，其效果與準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式相當(dāng)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式相當(dāng) ( Phillips ) 1960年代預(yù)報(bào)模式的發(fā)展和完善并投入業(yè)務(wù)年代預(yù)報(bào)模式的發(fā)展和完善并投入業(yè)務(wù) 1970年代逐步廣泛地用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)年代逐步廣泛地用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào) 1980年代一個(gè)星期左右的中期預(yù)報(bào)年代一個(gè)星期左右的中期預(yù)報(bào) 1990年代和目前的月季預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)年代和目前的月季預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè) 1904年，挪威科年，挪威科學(xué)家

12、，比杰克尼學(xué)家，比杰克尼斯斯(Bjerknes，1862 1951) 教授首次教授首次提出數(shù)值天氣預(yù)提出數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的理論思想。報(bào)的理論思想。19161918年期間（第一次世界大戰(zhàn)），理查遜博士應(yīng)征到前線的救護(hù)車隊(duì)當(dāng)司機(jī)，他利用出車的空余時(shí)間，嘗試實(shí)踐比杰克尼斯的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論思想，用手工的計(jì)算工具，直接求解氣壓、風(fēng)速方程，推算未來(lái)倫敦6小時(shí)的氣壓變化。英國(guó)科學(xué)家，理查遜博士英國(guó)科學(xué)家，理查遜博士理查遜首次嘗試“計(jì)算天氣”，結(jié)果，失敗了，計(jì)算出倫敦6小時(shí)變壓達(dá)145hPa (算數(shù)是對(duì)的，結(jié)果是荒謬的)理查遜設(shè)計(jì)的計(jì)算工廠：理查遜設(shè)計(jì)的計(jì)算工廠：6萬(wàn)萬(wàn)4千人，用手千人，用手工計(jì)算器，計(jì)算出一次

13、全球工計(jì)算器，計(jì)算出一次全球3小時(shí)預(yù)報(bào)小時(shí)預(yù)報(bào) 1922年出版書年出版書 戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束回到倫敦后，他出版了書，總結(jié)失敗的科學(xué)問(wèn)題；并估計(jì)業(yè)務(wù)計(jì)算問(wèn)題1950年，世界上第一張年，世界上第一張成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)圖：成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)圖：500mb高度場(chǎng)和渦度場(chǎng)高度場(chǎng)和渦度場(chǎng)（變高變渦度場(chǎng)）（變高變渦度場(chǎng)）初始初始24hrs 觀測(cè)觀測(cè)24hrs 預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)24hrs 變高、渦變高、渦NWP的成功制造者：查尼、費(fèi)也托夫和馮諾伊曼 CharneyCharney等等3 3人取得人取得NWPNWP成功的原因和條件：成功的原因和條件：(1) 高空觀測(cè)網(wǎng)建立：由于第二次世界大戰(zhàn)空軍作戰(zhàn)的高空觀測(cè)網(wǎng)建立：由于第二次世界

14、大戰(zhàn)空軍作戰(zhàn)的需要，發(fā)明了大氣高空探測(cè)技術(shù)，獲取了必要的大需要，發(fā)明了大氣高空探測(cè)技術(shù)，獲取了必要的大氣參數(shù)資料；氣參數(shù)資料；(2) 計(jì)算機(jī)發(fā)明：由于戰(zhàn)爭(zhēng)核武器的發(fā)展需要，發(fā)明計(jì)算機(jī)發(fā)明：由于戰(zhàn)爭(zhēng)核武器的發(fā)展需要，發(fā)明了可以自動(dòng)快速計(jì)算的機(jī)器，解決了大量的科學(xué)了可以自動(dòng)快速計(jì)算的機(jī)器，解決了大量的科學(xué)計(jì)算問(wèn)題；計(jì)算問(wèn)題；1946， ENIAC 電子管計(jì)算機(jī)電子管計(jì)算機(jī)(30噸，噸，占地占地167m2，387次乘法運(yùn)算次乘法運(yùn)算/秒秒) (3) 大氣科學(xué)理論取得突破性發(fā)展：羅斯貝提出了大大氣科學(xué)理論取得突破性發(fā)展：羅斯貝提出了大氣長(zhǎng)波理論，推進(jìn)了正壓渦度模式、濾波模式、氣長(zhǎng)波理論，推進(jìn)了正壓渦度

15、模式、濾波模式、平衡模式的建立。平衡模式的建立。 1955年用圖解法求解兩層模式做出了年用圖解法求解兩層模式做出了500hPa 24小時(shí)的預(yù)報(bào)。小時(shí)的預(yù)報(bào)。 1959年底，開始用電子計(jì)算機(jī)制作亞歐范圍和北半球范圍的年底，開始用電子計(jì)算機(jī)制作亞歐范圍和北半球范圍的正壓、斜壓過(guò)濾模式的高度場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)。正壓、斜壓過(guò)濾模式的高度場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)。 1965年春，國(guó)家氣象局開始發(fā)布正壓年春，國(guó)家氣象局開始發(fā)布正壓500hPa預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)。 1969年年, 資料處理、客觀分析和預(yù)報(bào)的自動(dòng)化方案試驗(yàn)成功。資料處理、客觀分析和預(yù)報(bào)的自動(dòng)化方案試驗(yàn)成功。 1973年年, 開始用原始方程三層模式制作預(yù)報(bào)。開始用原始方程三

16、層模式制作預(yù)報(bào)。 1980年代初，從接收資料到填圖、分析和輸出預(yù)報(bào)圖，都實(shí)年代初，從接收資料到填圖、分析和輸出預(yù)報(bào)圖，都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，預(yù)報(bào)模式發(fā)展到多層原始方程模式，考慮了地現(xiàn)了自動(dòng)化，預(yù)報(bào)模式發(fā)展到多層原始方程模式，考慮了地形和水汽凝結(jié)潛熱加熱等物理過(guò)程的影響。形和水汽凝結(jié)潛熱加熱等物理過(guò)程的影響。B模式模式 1990年代，在初值處理、衛(wèi)星資料的應(yīng)用和四維同化等問(wèn)題年代，在初值處理、衛(wèi)星資料的應(yīng)用和四維同化等問(wèn)題的解決上都有了長(zhǎng)足進(jìn)展，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)一步提高。的解決上都有了長(zhǎng)足進(jìn)展，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)一步提高。 中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng) 目前國(guó)家氣象中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)中有：目前國(guó)家

17、氣象中心業(yè)務(wù)系統(tǒng)中有：T639L60、GRAPES 、臺(tái)、臺(tái)風(fēng)、沙塵暴、集合預(yù)報(bào)等模式系統(tǒng)。風(fēng)、沙塵暴、集合預(yù)報(bào)等模式系統(tǒng)。 氣象學(xué)報(bào)氣象學(xué)報(bào)第第35卷第卷第4期，期，1965年正式向全國(guó)發(fā)布年正式向全國(guó)發(fā)布48小小時(shí)時(shí)500hPa形勢(shì)預(yù)報(bào)形勢(shì)預(yù)報(bào) 揭開揭開 序幕序幕開創(chuàng)新紀(jì)元開創(chuàng)新紀(jì)元的時(shí)代的時(shí)代迅速發(fā)展取得巨大成就迅速發(fā)展取得巨大成就的時(shí)代的時(shí)代面臨巨大挑戰(zhàn)的時(shí)代面臨巨大挑戰(zhàn)的時(shí)代195019601990Mid-1970sAtmosphereMid-1980sAtmosphereLand SurfaceEarly 1990sAtmosphereLand SurfaceOcean &

18、 Sea IceLate 1990sAtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolPresent DayAtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolNon-sulphateAerosolCarbon CycleEarly 2000s?AtmosphereLand SurfaceOcean & Sea IceSulphateAerosolNon-sulphateAerosolCarbon CycleDynamicVegetationAtmosphericC

19、hemistryWeatherClimate ChangeClimateVariabilityOverview of Weather and Climate Models and the Required ObservationsNeed an Integrated Global Observing System Going Beyond the WWWFrom Ants Leetmaa，GFDL，NOAA，30/01/2003分辨率的提高和物理過(guò)程的完善分辨率的提高和物理過(guò)程的完善圈層的耦合、生物和圈層的耦合、生物和化學(xué)過(guò)程的增加完善化學(xué)過(guò)程的增加完善含含5個(gè)功能塊個(gè)功能塊:物理氣候系統(tǒng)物理

20、氣候系統(tǒng)(天天藍(lán)色藍(lán)色)生物地球化學(xué)系統(tǒng)生物地球化學(xué)系統(tǒng)(深黃色深黃色)人類活動(dòng)影響相關(guān)人類活動(dòng)影響相關(guān)聯(lián)的人文聯(lián)的人文(或社會(huì)或社會(huì)科學(xué)科學(xué))系統(tǒng)系統(tǒng)(紫紅色紫紅色)固體地球固體地球(藍(lán)色藍(lán)色)太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)的空太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)的空間天氣間天氣(紅色紅色)固體地球和空間天固體地球和空間天氣的影響在物理氣氣的影響在物理氣候系統(tǒng)模式和地球候系統(tǒng)模式和地球氣候系統(tǒng)模式中只氣候系統(tǒng)模式中只是用已知的資料作是用已知的資料作為單向強(qiáng)迫來(lái)簡(jiǎn)單為單向強(qiáng)迫來(lái)簡(jiǎn)單考慮考慮,只有在地球系只有在地球系統(tǒng)模式中才能得到統(tǒng)模式中才能得到較客觀的描述。較客觀的描述。 集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是1990年代投入業(yè)務(wù)的新

21、預(yù)報(bào)技術(shù)。年代投入業(yè)務(wù)的新預(yù)報(bào)技術(shù)。 數(shù)值預(yù)報(bào)中存在問(wèn)題：數(shù)值預(yù)報(bào)中存在問(wèn)題：由于觀測(cè)誤差，包括觀測(cè)儀器的誤差，由于觀測(cè)誤差，包括觀測(cè)儀器的誤差，觀測(cè)站點(diǎn)在時(shí)空上的不夠密集引起的誤差，以及資料分析、觀測(cè)站點(diǎn)在時(shí)空上的不夠密集引起的誤差，以及資料分析、同化處理中的計(jì)算誤差，我們所得到的作為數(shù)值模式的初始同化處理中的計(jì)算誤差，我們所得到的作為數(shù)值模式的初始場(chǎng)總含有不確定性。因此，實(shí)際大氣的真正狀態(tài)永遠(yuǎn)不可能場(chǎng)總含有不確定性。因此，實(shí)際大氣的真正狀態(tài)永遠(yuǎn)不可能被精確地估計(jì)出來(lái)，那么以這個(gè)初始場(chǎng)作為初值的模式解也被精確地估計(jì)出來(lái)，那么以這個(gè)初始場(chǎng)作為初值的模式解也僅僅是實(shí)際大氣可能出現(xiàn)的一個(gè)解。僅僅是

22、實(shí)際大氣可能出現(xiàn)的一個(gè)解。 解決方案：解決方案：為了減少由于資料誤差、模式誤差和大氣混沌特為了減少由于資料誤差、模式誤差和大氣混沌特性引起的數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定性，嘗試根據(jù)某種誤差概率分布性引起的數(shù)值預(yù)報(bào)的不確定性，嘗試根據(jù)某種誤差概率分布生成一組初始數(shù)據(jù)集，從而制作出與之對(duì)應(yīng)的一組預(yù)報(bào)組合，生成一組初始數(shù)據(jù)集，從而制作出與之對(duì)應(yīng)的一組預(yù)報(bào)組合，然后用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其集成，這就是集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。然后用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其集成，這就是集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。 時(shí)間時(shí)間氣候特征氣候特征初值的不確定初值的不確定X確定性預(yù)報(bào)確定性預(yù)報(bào)分析分析預(yù)報(bào)不確定性預(yù)報(bào)不確定性6 現(xiàn)在的數(shù)值預(yù)報(bào)水平現(xiàn)在的數(shù)值預(yù)報(bào)水平 5 目前的

23、數(shù)值預(yù)報(bào)水平目前的數(shù)值預(yù)報(bào)水平2022-6-26372022-6-26382022-6-26392022-6-264072h48h24h 區(qū)域模式、區(qū)域模式、全球模式全球模式 短期模式、中期模式短期模式、中期模式 氣候模式、氣候系統(tǒng)模式氣候模式、氣候系統(tǒng)模式 中小尺度模式、大尺度模式中小尺度模式、大尺度模式 差分模式、譜模式差分模式、譜模式 物理定律物理定律 數(shù)學(xué)公式數(shù)學(xué)公式 牛頓第二定律牛頓第二定律運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律連續(xù)方程連續(xù)方程 理想氣體實(shí)驗(yàn)定律理想氣體實(shí)驗(yàn)定律狀態(tài)方程狀態(tài)方程 能量守恒定律能量守恒定律熱力學(xué)方程熱力學(xué)方程 水汽質(zhì)量守恒定律水汽質(zhì)量守恒定律水汽方程

24、水汽方程大氣運(yùn)動(dòng)方程組大氣運(yùn)動(dòng)方程組 牛頓第二定律：牛頓第二定律： 慣性坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系： 絕對(duì)加速度和相對(duì)加速度：絕對(duì)加速度和相對(duì)加速度： 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中作用于空微團(tuán)上的力：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中作用于空微團(tuán)上的力： 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程 (1.12) m aFmaFddaaiitVF12dpgFdt VV 質(zhì)量守恒定律：質(zhì)量守恒定律： 用速度散度的定義用速度散度的定義 (1.13) (1.14) 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：兩種形式的連續(xù)方程兩種形式的連續(xù)方程 (1.13)和和(1.14)的不同含義的不同含義?()0dMdt()0ddt0ddt V()0tV 狀態(tài)參量：氣

25、壓狀態(tài)參量：氣壓 p、密度、密度、溫度、溫度 T 均勻系統(tǒng)的狀態(tài)方程：均勻系統(tǒng)的狀態(tài)方程：f ( p, , T ) = 0 理想氣體實(shí)驗(yàn)定律：理想氣體實(shí)驗(yàn)定律：Boyle-Charles定律定律 一般的一般的(干干)空氣狀態(tài)方程：空氣狀態(tài)方程： (1.15) 未飽和濕空氣狀態(tài)方程：未飽和濕空氣狀態(tài)方程： (1.18) pRT(1 0.618 )vpRq TRT 一般的熱力學(xué)方程：熱力學(xué)第一定律一般的熱力學(xué)方程：熱力學(xué)第一定律能量守恒定律能量守恒定律 (1.19) (1.22) 絕熱絕熱(Q=0)的熱力學(xué)方程的熱力學(xué)方程 (1.23) (1.25) 考慮水汽相變的熱力學(xué)方程考慮水汽相變的熱力學(xué)方

26、程 (1.26) 假絕熱過(guò)程的熱力學(xué)方程假絕熱過(guò)程的熱力學(xué)方程 (1.27) dEQdtlnpdc TQdtlnln0pdTdpcRdtdt0ddtpldTRT dpdqdTcQLcldtp dtdtdtspdqdTRT dpcLdtp dtdt 水汽質(zhì)量守恒定律：水汽質(zhì)量守恒定律： 水汽質(zhì)量守恒方程：水汽質(zhì)量守恒方程： 飽和假絕熱過(guò)程：飽和假絕熱過(guò)程： 凝結(jié)函數(shù)：凝結(jié)函數(shù)：()vdSdt (1.28)(1.29-30)ddsqqSqttVddqd ptpd tF22pvspvsLRc R Tq Tc R TL qF(1.35)(1.34)(1.36)120pdVpV gdtdVdtdTRT

27、dpCdtp dtpRT FQ1201()(10.618 )pddVpVgdtdVdtdTdpCRTLdtp dtdqdpdtpdtpqR T FFQF干空氣（干空氣（1.37）濕空氣（濕空氣（1.38） 初始條件就是初始時(shí)刻各因變量（即氣象要素）初始條件就是初始時(shí)刻各因變量（即氣象要素）的空間分布。的空間分布。 初始條件的一般形式為初始條件的一般形式為 (, 0)(, 0)(, 0)0,(, 0)(, 0)(, 0).uuxy zvv xy zwwxy ztppxy zTTxy zqqxy z 是研究區(qū)域的大氣邊界上氣象要素應(yīng)滿足是研究區(qū)域的大氣邊界上氣象要素應(yīng)滿足的條件。的條件。 如果研究

28、全球范圍的大氣運(yùn)動(dòng)，并且大氣如果研究全球范圍的大氣運(yùn)動(dòng)，并且大氣內(nèi)部各氣象要素都是連續(xù)的，則只需要給內(nèi)部各氣象要素都是連續(xù)的，則只需要給出大氣的出大氣的下邊界條件和上邊界條件下邊界條件和上邊界條件； 如果大氣內(nèi)部存在有不連續(xù)面，則還需要如果大氣內(nèi)部存在有不連續(xù)面，則還需要給出給出內(nèi)邊界條件內(nèi)邊界條件。l 大氣的下邊界就是地球表面上，而地球表面可視為一物質(zhì)面。大氣的下邊界就是地球表面上，而地球表面可視為一物質(zhì)面。假設(shè)大氣為理想流體，如果不考慮地表面的起伏不平，則下假設(shè)大氣為理想流體，如果不考慮地表面的起伏不平，則下邊界條件取為邊界條件取為 z = Zs( x , y ) , s = 0 Zs為地

29、表面的拔海高度。上式表明，地表面的垂直速度為零。為地表面的拔海高度。上式表明，地表面的垂直速度為零。l 如果考慮地形的起伏，則下邊界條件取為如果考慮地形的起伏，則下邊界條件取為 z = Zs( x , y ) , s = Vhsh Zs Vhs為地表面的水平鳳速。上式表明，沿起伏不平的地表面運(yùn)為地表面的水平鳳速。上式表明，沿起伏不平的地表面運(yùn)動(dòng)的空氣微團(tuán)有爬坡垂直速度。動(dòng)的空氣微團(tuán)有爬坡垂直速度。l 大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組是在大氣為連續(xù)介質(zhì)的假定下建立起大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組是在大氣為連續(xù)介質(zhì)的假定下建立起來(lái)的。連續(xù)介質(zhì)假定成立的極限高度可視為大氣的上界，來(lái)的。連續(xù)介質(zhì)假定成立的極限高度可視為大氣的上

30、界，大氣上界的高度比平流層、中間層大氣的高度要高得多。大氣上界的高度比平流層、中間層大氣的高度要高得多。l 在大氣上界，可以認(rèn)為大氣與在大氣上界，可以認(rèn)為大氣與“外界外界”無(wú)質(zhì)量交換。因此，無(wú)質(zhì)量交換。因此，上邊界條件取為上邊界條件取為 z TT = 0l 式中式中T、T分別為大氣上界的密度和垂直速度。上式表明，分別為大氣上界的密度和垂直速度。上式表明，在大氣上界，空氣質(zhì)量的垂直通量為零。在大氣上界，空氣質(zhì)量的垂直通量為零。l 大氣內(nèi)部經(jīng)常存在過(guò)渡帶或不連續(xù)面，例如鋒面和逆溫層大氣內(nèi)部經(jīng)常存在過(guò)渡帶或不連續(xù)面，例如鋒面和逆溫層等。在鋒面兩側(cè)，氣壓梯度和溫度梯度都是不連續(xù)的，因等。在鋒面兩側(cè)，氣

31、壓梯度和溫度梯度都是不連續(xù)的，因而在鋒面上運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程都失去意義，處理這類問(wèn)而在鋒面上運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程都失去意義，處理這類問(wèn)題的方法是把不連續(xù)面視為內(nèi)邊界。題的方法是把不連續(xù)面視為內(nèi)邊界。l 通常假定內(nèi)邊界面為一物質(zhì)面，即內(nèi)邊界面兩側(cè)不同屬性通常假定內(nèi)邊界面為一物質(zhì)面，即內(nèi)邊界面兩側(cè)不同屬性的氣團(tuán)只沿界面運(yùn)動(dòng)，而不穿越界面。的氣團(tuán)只沿界面運(yùn)動(dòng)，而不穿越界面。返回大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組（干空氣或濕空氣）（干空氣或濕空氣）初始條件和邊界條件初始條件和邊界條件( (現(xiàn)在的大氣狀態(tài)）現(xiàn)在的大氣狀態(tài)）求求(數(shù)值數(shù)值)解解未來(lái)各個(gè)未來(lái)各個(gè)不同時(shí)刻的不同時(shí)刻的大氣狀態(tài)大氣狀態(tài)三 模

32、式垂直坐標(biāo)系特點(diǎn)及局限性 1 球坐標(biāo)系及其基本方程組球坐標(biāo)系及其基本方程組 2 (局地局地) Z 坐標(biāo)系中的基本方程組坐標(biāo)系中的基本方程組 3 （氣壓）（氣壓）p 坐標(biāo)系的特點(diǎn)坐標(biāo)系的特點(diǎn) 4 （考慮地形）（考慮地形） 坐標(biāo)系的特點(diǎn)坐標(biāo)系的特點(diǎn) 5 幾種考慮地形的垂直坐標(biāo)系幾種考慮地形的垂直坐標(biāo)系坐標(biāo)系？坐標(biāo)系？T=0T=1, T = n未來(lái)不同時(shí)間未來(lái)不同時(shí)間氣象要素的演變？氣象要素的演變？222221tancos1tan111cos1()0coscosrpdupuvuwfvfwFdtrrrdvpuvwfuFdtrrrdwpuvfugFdtrrduvwrdtrrrrdTRT dpCQdtp

33、dtpRT （1.55）21tancos1tan11(tan )0cosrpdupuvfvFdtaadvpufuFdtaadwpgFdtzduvvdtaaadTRT dpCQdtp dtpRT （1.74）111()0rpdupfvFdtxdvpfuFdtydwpgFdtzduvwdtxyzdTR T dpCQdtpdtpR T （1.77）p = ps p = pT 0 1z = zT z = 0 用氣壓用氣壓 p 來(lái)代替高度來(lái)代替高度 z 作為空間的垂直坐標(biāo)。作為空間的垂直坐標(biāo)。適用于等壓面分析。適用于等壓面分析。連續(xù)方程的形式簡(jiǎn)單，密度連續(xù)方程的形式簡(jiǎn)單，密度不在其中出現(xiàn)。不在其中出現(xiàn)。用靜力學(xué)方程代替垂直運(yùn)動(dòng)方程，從而把對(duì)天用靜力學(xué)方程代替垂直運(yùn)動(dòng)方程，從而把對(duì)天氣變化影響不大的垂直聲波慮掉。氣變化影響不大的垂直聲波慮掉。下邊界難于處理，不適合用其來(lái)研究地形對(duì)大下邊界難于處理，不適合用其來(lái)研究地形對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響。氣運(yùn)動(dòng)的影響。采用了靜力近似假定，不適合用其來(lái)研究中小采用了靜力近似假定，不適合用其來(lái)研究中小尺度天氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。尺度天氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。22()0hpphhphppdVf kVFdtRTppVpCRQuvtxyppC pRTp （1.123） p坐標(biāo)的變形，用坐標(biāo)的變形，用 ( p