中尺度数值天气预报模式

1、中尺度数值天气预报模式中尺度数值天气预报模式高山红高山红中国海洋大学中国海洋大学内容内容 数值天气预报的发展历史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？中尺度天气预报模式是如何工作的？ 理解与认识理解与认识 挑战与展望挑战与展望数值天气预报的发展历史数值天气预报的发展历史 古代气象学古代气象学 观测观测：中国人最早开始有规律地记载对气象的：中国人最早开始有规律地记载对气象的观察。远在公元前观察。远在公元前1300年的殷商时期，就有了年的殷商时期，就有了连续连续10天描述天空的特征、雪的厚度以及风的天描述天空的特征、雪的厚度以及风的特征等记录。到了周朝（公元前特征等记录。到了周朝

2、（公元前1066年），对年），对气候的描述才开始正式列入历史的记载。气候的描述才开始正式列入历史的记载。 谚语谚语：罗马人与青蛙：罗马人与青蛙 大约在公元前大约在公元前278年，青蛙首次出现在气象学上。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，将会有滂如果青蛙在沼泽里一直单调地叫着，将会有滂沱大雨。沱大雨。” 古罗马诗人维吉尔在古罗马诗人维吉尔在农事诗农事诗中写道：中写道：“如果如果看到鹤从河谷地往上飞的景象，下雷雨则是农夫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。意料中的事。”现代气象学现代气象学 天气天气战场决胜的因素战场决胜的因素 恺撒攻打不列颠（公元前

3、恺撒攻打不列颠（公元前55年，风暴）年，风暴） 英法百年战争（英法百年战争（1346，1415，大雨），大雨） 拿破仑进攻俄国、滑铁卢之战（拿破仑进攻俄国、滑铁卢之战（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，台风），台风） 现代气象学诞生于风暴之中现代气象学诞生于风暴之中 1854年年11月月14日，一场强烈的风暴使法军的亨利四世号军舰及日，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，艘商船毁坏殆尽，400人死亡！人死亡！ 天文学家调查的结果是：风暴在天文学家调查的结果是：风暴在11月月12日即以存在，在两天之内日即以存在，在

4、两天之内自西北向东南席卷整个欧洲自西北向东南席卷整个欧洲。指出：影响天气的因子当中，大部指出：影响天气的因子当中，大部分都具有迁移性。分都具有迁移性。 现代气象学于是迈出了它的第一步！现代气象学于是迈出了它的第一步！监测网的建立监测网的建立 法国设立监测网（最初有法国设立监测网（最初有24个，其中个，其中13个以电个以电报互相联系）；至报互相联系）；至1865年，整个欧洲气象网有年，整个欧洲气象网有59个站。个站。 观测结果：观测结果： 天气的变化，似乎与气压表读出的大气压力关天气的变化，似乎与气压表读出的大气压力关系密切。系密切。早期的天气图早期的天气图1877, newspaper, Sy

5、dney1885, western Europe地面等压线外推法地面等压线外推法 荷兰的白贝罗与白贝罗定律（荷兰的白贝罗与白贝罗定律（Buys-Ballot,1817-1890)背对地面风，顺时针转30，低压在左，高压在右。地面站地面站探空站探空站锋面气旋理论锋面气旋理论 槽来脊往槽来脊往 需要经验需要经验 但是不能总靠经验，因为这种东西很难但是不能总靠经验，因为这种东西很难从父亲传给儿子从父亲传给儿子数值天气预报思想的诞生数值天气预报思想的诞生 经典物理学的发展历史经典物理学的发展历史 流体力学控制方程流体力学控制方程 V. Bjerknes 于于1904年首先指出年首先指出 基于计算机基于

6、计算机数值天气预报模式数值天气预报模式 举例：屋子里气球的漂移举例：屋子里气球的漂移 介绍初始条件、时变边界条件介绍初始条件、时变边界条件 动力框架与热力框架动力框架与热力框架 参数化问题参数化问题 数值计算问题（计算量、误差）数值计算问题（计算量、误差） 模式模式 从数学角度来讲，气象从数学角度来讲，气象/海洋海洋模式就是一组数学物理方程。给定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），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。就可以得到这组数学物理方程的解。 221),(gtztzh初值条件初值

7、条件 边界条件边界条件 气象模式是一组非常复杂的偏微气象模式是一组非常复杂的偏微分方程组，必须通过数值方法（数值分方程组，必须通过数值方法（数值离散化）才能得到其解。离散化）才能得到其解。 DuruwewxmvymufuVpxppxppmtuearthcos)()(* 划分划分数值方法：谱模式、差分模式，有限元模式数值方法：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，现象尺度：气候模式，天气尺度模式， 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 PO

8、M HAMSAMSWAN Too many！Numerical weather prediction was attempted first by Lewis F. Richardson in 1922Based on the idea of Bjerknes Who?1950年，第一次数值年，第一次数值天气预报取得成功！天气预报取得成功！北美北美500hPa高度场高度场正压过滤模式正压过滤模式数值预报流程图数值预报流程图中尺度天气预报模式中尺度天气预报模式是如何工作的？是如何工作的？内容内容 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数

9、化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍介绍介绍 中尺度模式是什么？它们为什么有用？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。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气象研究内容中尺度现象中尺度现象中尺度模式通常是有限区域模式中尺度模式通常是有限区域模式地球模拟器地球模拟器性能相当于性能相当

10、于20万台个人电脑万台个人电脑 在试运行中，将地表分割为大约在试运行中，将地表分割为大约10公里见方的区域，模公里见方的区域，模拟大气及海流的变化情况。模拟地球上拟大气及海流的变化情况。模拟地球上1天的大气流动，天的大气流动，只用只用40分钟。分钟。中尺度模式结果的重要性中尺度模式结果的重要性取决于研究现象的尺度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特别是在山地与海岸地区 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化

11、使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率对于一种特定的现象需要多大的水平格距？对于一种特定的现象需要多大的水平格距？例子例子 1Monterey Bay wind eddies例子例子 2一个实际例子一个实际例子水平格距的缩小会成倍地增加计算量！水平格距的缩小会成倍地增加计算量！采用嵌套技术既提高分辨率又节约计算量采用嵌套技术既提高分辨率又节约计算量10 km3 km1 km 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题

12、三个问题 介绍介绍 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层？垂直方向上需要多少层？垂直分层的原则垂直分层的原则不同的模式有不同的垂直坐标系统不同的模式有不同的垂直坐标系统 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力几乎所有谱模式与大多数格点模式几乎所有谱模式与大多数格点模式采用流体静力假设！但是采用流体静力假设！但是流体静力假设适

13、用于流体静力假设适用于天气尺度，全球尺度天气尺度，全球尺度以及一些中尺度系统以及一些中尺度系统水平尺度与垂直尺度相当，水平尺度与垂直尺度相当，必须考虑流体非静力。必须考虑流体非静力。如重力波、强对流系统。如重力波、强对流系统。流体非静力可以直接预报垂直运动导致的现象，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而流体静力只能推断流体非静力模式多出一个预报方程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多数流体非静力模式基于垂直高度z 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界

14、条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化水平分辨率不可能无限地小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有些物理过程我们还没有弄懂有些物理过程太复杂有些物理过程太复杂有些物理过程的影响必须考虑有些物理过程的影响必须考虑 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分

15、辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化边界条件边界条件初始条件初始条件时变侧边界条件时变侧边界条件 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式高分辨率、流体非静力中尺度模式高分辨率、流体非静力中尺度模式MM5, RAMS,

16、 WRFForecasters 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.初始时刻模式分析与观测的对比初始时刻模式分析与观测的对比模式预报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细网格结果往往与粗网格有“很大的区别很大

17、的区别” ？降水预报仍是个难题！降水预报仍是个难题！ 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 介绍介绍 水平分辨率水平分辨率 垂直分辨率垂直分辨率 流体静力与流体非静力流体静力与流体非静力 参数化参数化 边界条件与初值化边界条件与初值化 使用中尺度模式使用中尺度模式 三个问题三个问题 1：中尺度模式地面预报比高空预报结果好？：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？：怎么确定模式初值场的好坏？ 3：中尺度模式预报精度

18、比全球模式下降要快？：中尺度模式预报精度比全球模式下降要快？理解与认识理解与认识 关于数值天气预报的关于数值天气预报的10个常见错误概念！个常见错误概念！Ten Common NWP Misconceptions10个常见错误概念个常见错误概念 分析必须与观测一致分析必须与观测一致 高分辨率可解决一切问题高分辨率可解决一切问题 地表条件已经精确给定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数值预报模式能直接预报近地面变量 晴天情况下的辐

19、射影响很容易处理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的格距能分辨特征长度为40km的现象的现象 一旦模式改进，一旦模式改进，MOS预报会随之改进预报会随之改进 模式的输出诊断必须用到每一个格点的值模式的输出诊断必须用到每一个格点的值1：分析必须与观测一致：分析必须与观测一致（00h预报应该与观测非常接近）预报应该与观测非常接近）应该考虑模式格点的离散性！应该考虑模式格点的离散性！2：高分辨率可解决一切问题：高分辨率可解决一切问题2000年年12月月30日风暴日风暴造成的总降水分布造成的总降水分布分辨率的提高能改进降水预报结果！分辨率的提高能改进降水预报结果！又一个好例

20、子又一个好例子一个坏例子一个坏例子3：地表条件已经精确给定地表条件已经精确给定地表植被与地形高度地表植被与地形高度植被的逐月变化植被的逐月变化植被的重要性植被的重要性4：对流参数化的主要目的就是预报对流降水：对流参数化的主要目的就是预报对流降水对流参数化的主要目的是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）考虑模式格点不能分辨的对流活动对格点的影响（反馈）模式模式格点格点内部内部对流对流实际实际情况情况与与模式模式预报预报情况情况对比对比无参数化无参数化5：能预报好天气系统就意味也能预报好对流能预报好天气系统就意味也能预报好对流苏格拉底说：苏格拉底说： “人总是要

21、死的，我是人，所以我也要死的。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！预报如降水、温度、湿度、风与气压可能很离谱！ 积云（对流）参数化非常重要，但是积云（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：数值预报模式能直接预报近地面变量模式地面模式地面2m温度的计算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！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不同的模式计算地面变量区别很大7：晴天情况下的辐射

22、影响很容易处理晴天情况下的辐射影响很容易处理必须考虑云的影响必须考虑云的影响为什么辐射不能被很好地处理为什么辐射不能被很好地处理1：层平均：层平均2：平均变量：平均变量3：云类型判断不准：云类型判断不准4：影响地面，从而影响：影响地面，从而影响 边界层，边界层，5：辐射计算很耗计算：辐射计算很耗计算 时间，因此模式通常时间，因此模式通常 每个一段时间才计算每个一段时间才计算 一次一次8： 20km的格距能分辨特征长度为的格距能分辨特征长度为40km的现象的现象理想情况理想情况实际情况实际情况结论：结论：20km分辨率一般连具有分辨率一般连具有80km特征尺度的特征尺度的现象都不能很好地分辨！现象都不能很好地分辨！分辨率决定对不同特征尺度现象的模拟能力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，一旦模式改进，MOS预报会随之改进预报会随之改进线性回归线性回归卡尔曼滤波卡尔曼滤波 如果如果MOS预报方程不更新，会造成预报方程不更新，会造成MOS预报结果预报结果 反而变坏反而变坏 MOS预报往往不能适应预报往往不能适应“新情况新情况” 一旦模式改进，一旦模式改进，1：模式改进：模式改进2：异常情况：异常情况3：没有考虑中尺度特征：没有考虑中尺度特征10：模式的输出诊断必须用到每一个格点的值：模式的输出诊断必须用到每一