第6章物理过程参数化和资料同化问题

1、陈耀登0陈耀登0陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报 大气科学学院大气科学学院 陈耀登陈耀登 QQ：3545881陈耀登1陈耀登1陈耀登参数化、初边界条件课程任务课程任务数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法课程目标课程目标理解数值天气预报的基本原理；理解数值天气预报的基本原理；掌握数值预报基本操作步骤；掌握数值预报基本操作步骤；为从事数值天气预报业务、数值预报产品释用、为从事数值天气预报业务、数值预报产品释用、数值模拟研究等打下基础数值模拟研究等打下基础；数值天气预报数值天气预报理论和方法理论和方法陈耀登2陈耀登2陈耀登参数化、初边界条件天气预报

2、的三次跃进（1）地面和高空天气图的绘制和应用； 天气预报从经验走向定性（2）数值天气预报的实施； 天气预报从定性走向定量（3）大气混沌性：集合预报 单一的确定论走向多值概率陈耀登3陈耀登3陈耀登参数化、初边界条件陈耀登4陈耀登4陈耀登参数化、初边界条件20112011年年7 7月月2525号夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨号夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨，民房倒塌民房倒塌16001600多间，死亡和失踪人数逾百人多间，死亡和失踪人数逾百人1.11.1中尺度天气及重要性中尺度天气及重要性陈耀登5陈耀登5陈耀登参数化、初边界条件卫星云图卫星云图江苏江苏北京北京中尺度降水系统中尺度降水系统(200

3、km-2000km)(200km-2000km)雷达回波雷达回波20km20112011年年7 7月月2525日晚日晚0808时时中尺度对流系统中尺度对流系统（20km-200km20km-200km）中尺度对流单体中尺度对流单体(2km20km)(2km20km)乳山站乳山站3 3小时小时325mm325mm降水降水1.11.1中尺度天气及重要性中尺度天气及重要性陈耀登6陈耀登6陈耀登参数化、初边界条件陈耀登基本问题、历史及展望三份重要文件三份重要文件1.中国气象局气象科技创新体系建设指导气象科技创新体系建设指导意见（意见（2014-2020年）年）2014.10.302.中国气象局国家气象

4、科技创新工程（国家气象科技创新工程（20142020年）实施方案年）实施方案2014.10.303.教育部、中国气象局教育部、中国气象局关于加强气象人才关于加强气象人才培养工作的指导意见培养工作的指导意见2015.2.3陈耀登基本问题、历史及展望 中国气象局：2014.10.30 气象科技创新体系建设指导意见（气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）年）国家气象科技创新工程（国家气象科技创新工程（20142020年）实施方案年）实施方案陈耀登基本问题、历史及展望 一、优化气象相关专业和人才结构。一、优化气象相关专业和人才结构。办好大气科学大气科学、应用气象学、大气物理与大气环境等学

5、科专业，加强数值天气预报数值天气预报、大气探测、公共气象服务、气象防灾减灾等方向的人才培养。 支持行业特色高校行业特色高校统筹招生计划增量与存量，适度扩大大气科学类专业本科生和研究适度扩大大气科学类专业本科生和研究生招生规模生招生规模。教育部、中国气象局教育部、中国气象局关于加强气象人关于加强气象人才培养工作的指导意见才培养工作的指导意见2015.2.3陈耀登基本问题、历史及展望一个重要事件一个重要事件 2015.4.20：教育部、中国气象局成立“中国气象人才培养联盟” 气象领域高等院校（气象类学院）、科研院所、企业以及国家级气象业务单位、省（自治区、直辖市）气象局均可申请加入联盟。陈耀登基本

6、问题、历史及展望宇如聪：解读（宇如聪：解读（2015.4.23） 气象教育历久弥新 学科建设与人才培养面临挑战： 天气预报、数值模拟、大气化学、地球观测、人工影响天气等方面仍有不足 陈耀登12陈耀登12陈耀登参数化、初边界条件主要内容主要内容第一章第一章 大气运动的基本方程组大气运动的基本方程组 模式的基本方程组(球坐标、局地直角坐标)；方程的垂直坐标变换； 模式的分类。 第二章第二章 地图投影坐标系中的基本方程组地图投影坐标系中的基本方程组 地图投影的基本概念； 三种常用的地图投影方式的基本概念、特点；正交曲线坐标系的基本知识；地图投影坐标系下的方程：水平坐标变换。第四章 准地转正压模式第五

7、章 正压原始方程模式第六章 斜压原始方程模式第七章 物理过程参数化和初边界条件第八章 数值天气预报基本问题及展望陈耀登13陈耀登13陈耀登参数化、初边界条件主要内容主要内容第三章 数值计算方案差分格式(前差格式、后差格式、中央差格式)；差分格式的基本性质（相容性、稳定性，收敛性）；时间积分格式（时间层，隐式，非隐式）；差分格式的误差问题（缩小格距或采用较高阶的差分格式均能提高计算的精确度）非线性计算稳定性问题（混淆误差）陈耀登14陈耀登14陈耀登参数化、初边界条件主要内容主要内容第四章第四章 正压原始方程模式正压原始方程模式正压原始方程(基本假定)的导出及其积分性质；正压模式计算稳定性及其判据

8、（空间步长和时间步长的关系）；正压模式的空间差分格式、时间积分格式；空间滤波和平滑（抑制非线性不稳定）；求解过程（上机实习）。陈耀登15陈耀登15陈耀登参数化、初边界条件主要内容主要内容第五章第五章 斜压原始方程模式斜压原始方程模式斜压引入的原因；斜压原始方程的垂直坐标。第六章 物理过程参数化和资料同化第七章 数值天气预报基本问题及展望陈耀登16陈耀登16陈耀登参数化、初边界条件个人简介（陈耀登）个人简介（陈耀登） 福建沙县人，博士，副教授。 大气科学学院数值模拟系主任。 主要从事气象数值模拟与资料同化相关工作。 2007年毕业于河海大学，获博士学位；同年到我校大气科学学院参加工作。陈耀登17

9、陈耀登17陈耀登参数化、初边界条件模式物理过程参数化模式物理过程参数化 陈耀登18陈耀登18陈耀登参数化、初边界条件1 1分钟分钟1 1小时小时热对流龙卷等雷暴对流单体城市效应中中尺度尺度梅雨锋台风等斜压波1 1天天1 1月月20m200m2km20km200km2000km10000km龙卷龙卷热对流热对流微尺度中气旋中气旋大龙卷大龙卷短重力短重力波波微尺度雷暴雷暴对流单对流单体体城市效城市效应应中尺度中尺度中尺度对流系对流系统统山地湖山地湖泊天气泊天气中尺度组织化雷暴雷暴对流对流单体单体对流对流系统系统大大尺度尺度 中中尺度尺度2 20 km30min30min 6h6h时时间间空间空间小

10、尺度小尺度雷暴雷暴3h3h 1day1day中中尺度尺度20 200 km大气运动是多尺度的大气运动是多尺度的陈耀登19陈耀登19陈耀登参数化、初边界条件陈耀登20陈耀登20陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主要物理过程数值天气预报中的主要物理过程1、湿热力过程（凝结过程）、湿热力过程（凝结过程） 1）积云对流过程）积云对流过程 2）大尺度凝结过程）大尺度凝结过程陈耀登21陈耀登21陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主要物理过程数值天气预报中的主要物理过程2、边界层过程（近地面和行星边界）、边界层过程（近地面和行星边界）陈耀登22陈耀登22陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主

11、要物理过程数值天气预报中的主要物理过程3、辐射过程、辐射过程4、微物理过程、微物理过程陈耀登23陈耀登23陈耀登参数化、初边界条件WRF Physics Radiation 辐射方案 Longwave (ra_lw_physics) Shortwave (ra_sw_physics) Surface Surface layer (sf_sfclay_physics) 近地面层方案 Land/water surface (sf_surface_physics) 陆面方案 PBL (bl_pbl_physics) 行星边界层方案 Cumulus (cu_physics) 积云对流方案 Microp

12、hysics (mp_physics) 微物理方案陈耀登24陈耀登24陈耀登参数化、初边界条件 物理过程参数化的必要性物理过程参数化的必要性 次网格过程：次网格过程： 由于大气是一种连续运动的由于大气是一种连续运动的连续介质连续介质，不管模式的分辨率如何高，总有一些，不管模式的分辨率如何高，总有一些接接近于或小于网格距尺度的运动或过程近于或小于网格距尺度的运动或过程，无，无法在模式中确切地反映出来，这种运动过法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为程称为次网格过程次网格过程。陈耀登25陈耀登25陈耀登参数化、初边界条件陈耀登26陈耀登26陈耀登参数化、初边界条件 次网格尺度物理过程：次网格尺

13、度物理过程： 湍流、对流、凝结和辐射过程湍流、对流、凝结和辐射过程都包含都包含有次网格过程。在数值预报中通过采用有次网格过程。在数值预报中通过采用参参数化的方法数化的方法来考虑这些过程，即用大尺度来考虑这些过程，即用大尺度变量来描述次网格过程对大尺度运动的变量来描述次网格过程对大尺度运动的统统计效应计效应。陈耀登27陈耀登27陈耀登参数化、初边界条件（也是潜热释放过程）分为：（也是潜热释放过程）分为：大尺度上升运动大尺度上升运动造成造成:上升慢，范围广，锋面降水上升慢，范围广，锋面降水积云对流积云对流产生：上升快，范围小，热带降水产生：上升快，范围小，热带降水陈耀登28陈耀登28陈耀登参数化、

14、初边界条件热力学方程 （差分）绝热运动及温度的扩散造成的温度变化国家气象中心原先使用的LFM模式中的方案水汽凝结产生的非绝热加热水汽凝结产生的非绝热加热L为凝结潜热为凝结潜热陈耀登29陈耀登29陈耀登参数化、初边界条件大尺度水平运动和垂直运动所引起的湿度变化水汽方程水汽收支变化水汽收支变化陈耀登30陈耀登30陈耀登参数化、初边界条件水汽收支变化水汽收支变化水汽凝结产生的非绝热加热水汽凝结产生的非绝热加热大尺度凝结；大尺度凝结； 对流凝结；对流凝结；对流垂直输送引起的湿度变化对流垂直输送引起的湿度变化tqCLCCCFL为凝结潜热为凝结潜热陈耀登31陈耀登31陈耀登参数化、初边界条件对流凝结对流凝

15、结 小尺度的积云对流小尺度的积云对流 大尺度运动总体影响的大尺度运动总体影响的关系及相互作用关系及相互作用 1 1）直接法：）直接法：求解描述两类不同尺度运动的耦合方求解描述两类不同尺度运动的耦合方程组，直接求解积云尺度运动程组，直接求解积云尺度运动 2 2）间接法：）间接法：用参数方法考虑小尺度运动对大尺度用参数方法考虑小尺度运动对大尺度运动的总体影响，而不考虑小尺度运动的细微结构运动的总体影响，而不考虑小尺度运动的细微结构陈耀登32陈耀登32陈耀登参数化、初边界条件积云对流参数化将模式不能显式分辨的对流凝结和对流引起的热量、水分和动量的输送与模式的预报变量联系起来。实际做法：用网格点上的变

16、量值来表示次网格尺度积云的凝结加热以及垂直输送效应的作用。Cumulus Parameterization陈耀登33陈耀登33陈耀登参数化、初边界条件（1）对流什么时候发生？（2）对流发生后产生什么影响？（3）参数的估计（1）对流产生的判别条件：a.条件不稳定：湿静力能模式条件l 积云对流积云对流陈耀登34陈耀登34陈耀登参数化、初边界条件b.水汽辐合：c.低层风速辐合： 满足以上三个条件的格点可根据郭氏方法计算降水量。如果不考虑降落过程液态水的蒸发，气柱中凝结的水汽就是地面降水量。（2）对流影响的估计：空气拄的大尺空气拄的大尺度辐合度辐合经验常数经验常数产生对流陈耀登35陈耀登35陈耀登参数

17、化、初边界条件假如水汽辐合量中有一部分凝结下降，则降水量为：根据霍维迈尔经验公式未凝结的水汽未凝结的水汽环境空气环境空气的比湿的比湿环境空气环境空气的温度的温度环境空气的饱和比湿（2）对流影响的估计：陈耀登36陈耀登36陈耀登参数化、初边界条件(a)对流凝结加热率：（3）参数的估计：陈耀登37陈耀登37陈耀登参数化、初边界条件(b)对流引起水汽垂直输送，使空气柱内水汽重新分布，在模式中是直接计算大尺度水汽辐合和对流作用的总效应。令对水汽方程则水汽方程可写为则水汽方程可写为（3）参数的估计：陈耀登38陈耀登38陈耀登参数化、初边界条件最后，水汽方程可写成：直接估计其中：Anthes（1977）未

18、凝结的水汽与各层的饱和差成正比陈耀登39陈耀登39陈耀登参数化、初边界条件Cumulus schemeRecommendations about use For dx 10 km: probably need cumulus scheme For dx 3 km: probably do not need scheme However, there are cases where the earlier triggering of convection by cumulus schemes help For dx=3-10 km, scale separation is a question

19、No schemes are specifically designed with this range of scales in mind陈耀登40陈耀登40陈耀登参数化、初边界条件三）、边界层过程（动量、热量、水汽）三）、边界层过程（动量、热量、水汽）l边界层的处理：模式把最低层作为边界层，采用经验输送公式计算湍流动量输送：湍流粘性应力：边界层顶：湍流应力边界层顶：湍流应力0地面地面陈耀登41陈耀登41陈耀登参数化、初边界条件四）、辐射过程四）、辐射过程辐射传输的基本物理过程： 太阳的辐射； 地-气系统辐射； 不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。陈耀登42陈耀登

20、42陈耀登参数化、初边界条件四）、辐射过程四）、辐射过程辐射传输方程：在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。一般通过参数化形式进行表达并求解。陈耀登43陈耀登43陈耀登参数化、初边界条件三）次网格过程参数化存在问题：三）次网格过程参数化存在问题： 尽管用参数化方案来描述次网格物理尽管用参数化方案来描述次网格物理过程的方法已取得了相当好的效果，但仍过程的方法已取得了相当好的效果，但仍有许多未解决的有许多未解决的问题问题:1）参数化不能考虑大尺度对小尺度的影响及参数化不能考虑大尺度对小尺度的影响及其反馈作用；其反馈作用；

21、2）参数的数值缺乏客观的确定方法；参数的数值缺乏客观的确定方法；3）模式对参数化的差异过于敏感等。模式对参数化的差异过于敏感等。 陈耀登44陈耀登44陈耀登参数化、初边界条件中国科学：地球科学，2012，42（12）：1966-1978陈耀登45陈耀登45陈耀登参数化、初边界条件陈耀登46陈耀登46陈耀登参数化、初边界条件桑美黑格比BMJKF不同的cu scheme模拟的路径与CMA的最佳路径之间的路径误差随时间增大，而且不同的cu scheme模拟的路径差异也较大。陈耀登47陈耀登47陈耀登参数化、初边界条件不同的cu scheme模拟的台风强度相差较大，在24h左右开始出现较大差异，且差异

22、随时间增大。陈耀登48陈耀登48陈耀登参数化、初边界条件台风路径和强度的模拟对积云对流参数化方案的选择很敏感；不同个例的最佳方案不同；原因是：不同方案采用了不同的假定，以及对积云降水的处理。陈耀登49陈耀登49陈耀登参数化、初边界条件中国科学:地球科学, 2014, 44(3): 548-562.陈耀登50陈耀登50陈耀登参数化、初边界条件 边界层内地表和自由大气的交换传输作用是十分复杂的物理过程 具体问题需具体分析 个例分析的结果不具普适性 适当选择边界层参数化方案对不同研究对象的模拟有重要意义（需要做敏感性实验分析其原因）陈耀登51陈耀登51陈耀登参数化、初边界条件高原山地气象研究，201

23、1，31（2）：18-25陈耀登52陈耀登52陈耀登参数化、初边界条件热带气象学报，2009，25（4）：435-441陈耀登53陈耀登53陈耀登参数化、初边界条件热带气象学报，2012，28（4）：461-470陈耀登54陈耀登54陈耀登参数化、初边界条件一、数值预报中的初值问题：一、数值预报中的初值问题：初、边界条件初、边界条件 陈耀登55陈耀登55陈耀登参数化、初边界条件一、数值预报中的初始化问题：一、数值预报中的初始化问题：采用原始方程模式作预报时，直接采用未经任何处理的观测值或分析值作为模式的初始场，容易导致高频振荡，产生计算不稳定：第一、观测或分析资料的误差导致风场和气压场的不平衡

24、；第一、观测或分析资料的误差导致风场和气压场的不平衡；第二、初始资料和数值模式之间的不平衡。第二、初始资料和数值模式之间的不平衡。因此，需要对模式的初值进行处理，即模式资料的模式资料的“初始初始化化”。问题的提出：问题的提出：陈耀登56陈耀登56陈耀登参数化、初边界条件模式初始化的常用方法：模式初始化的常用方法：静力初始化动力初始化变分初始化静力初始化又称静处理，是指用一些已知的风压场平衡关系，或用运动方程等求得的诊断方程来处理初值，使风场同气压场平衡或近似平衡的方法。地转风初值地转风初值平衡风初值平衡风初值考虑辐散的初始风场考虑辐散的初始风场陈耀登57陈耀登57陈耀登参数化、初边界条件动力初

25、始化又称动处理，这种方法是借助于原始方程模式本身所具有的动力特性，经过一些合理的步骤，使重力惯性波阻尼或被滤去，而得到接近平衡的初值。动处理的具体方法包括动力恢复法和正规波法等。变分初始化它既可以用于静处理，也可以用于动处理。 该方法是通过变分原理，使初始资料在一定动力约束下调整，达到各种初始场之间协调一致的方法。陈耀登58陈耀登58陈耀登参数化、初边界条件静力初始化：简单、计算量小，但效果一般；动力初始化：自动调整、有效滤除重力波高频部分、 计算量较大，非线性的处理不一定收敛变分初始化：物理意义清楚，结果好坏依赖于动力 约束优劣。简单约束：求解方便；复杂 约束：数学解存在较多问题。常用方法评

26、价：常用方法评价：陈耀登59陈耀登59陈耀登参数化、初边界条件一般初始化方法存在的问题一般初始化方法存在的问题消除虚假的重力波对计算稳定性有好处，但可能也把重力波真实部分消除了数值预报的系统强度往往偏弱。上述方法都是让风压场达到平衡或近似平衡，以消除虚假重力波，从而消除其带来的计算不稳定。天气的发展演变和环流形式的剧烈变化，都是和风压场的不平衡激发出的重力惯性波有关，由于重力惯性波的存在，过分集中的不平衡能量能得到迅速释放，使风压场重新调整适应。如何使用不平衡初值以提高数值预报的准确率，是研究和业如何使用不平衡初值以提高数值预报的准确率，是研究和业务中重点关注的问题之一。务中重点关注的问题之一

27、。陈耀登60陈耀登60陈耀登参数化、初边界条件二、数值预报中的边界条件问题：二、数值预报中的边界条件问题：数值模式需要给定边界条件：水平侧边界条件垂直边界条件2、法向速度为零的边界条件（刚体边界）3、海绵边界条件（过渡带：外侧固定，里侧为计算值）4、外推边界条件常用的水平侧边界条件包括：1、固定的边界条件(预报量不随时间变化)大气科学学院闵锦忠大气科学学院闵锦忠陈耀登61陈耀登61陈耀登参数化、初边界条件三、嵌套网格边界处理问题三、嵌套网格边界处理问题单向嵌套：单向嵌套： 先计算粗网格，粗网格为细网格提供边界； 然后再计算细网格。双向嵌套：双向嵌套： 先计算粗网格，粗网格为细网格提供边界； 计

28、算细网格；在边界交界处，将细网格结果反馈给粗网格。陈耀登62陈耀登62陈耀登参数化、初边界条件二、数值预报中的资料同化问题：二、数值预报中的资料同化问题：u英国数学家英国数学家Richardson(1922)-数值预报尝试数值预报尝试陈耀登63陈耀登63陈耀登参数化、初边界条件二、数值预报中的资料同化问题：二、数值预报中的资料同化问题：The major reasons for the failure of Richardsons forecast: 观测站网的密度和资料的精确度不够； 用的是完全的原始方程组； 所取的时间和空间的间隔不合适，使计算出现不稳定陈耀登64陈耀登64陈耀登参数化、初

29、边界条件数值预报的不确定性数值预报的不确定性 数值预报的不确定性大气本身的混沌特性初值误差模式误差陈耀登65陈耀登65陈耀登参数化、初边界条件二、数值预报中的资料同化问题：二、数值预报中的资料同化问题：如何最有效地利用各种气象观测资料，为数值天气预报提供一个更好的初始场，是提高数值天气预报准确性的重要方法。这就是气象资料同化问题。（初始资料的同化）（初始资料的同化） 在进行数值天气预报的过程中，我们还能不断地接收到气象观测资料。它们相对初始场而言，代表了某一地点、某一时段内气象场的实际演变。使用它们来不断地修正原来的预报结果，对于提高数值天气预报的质量非常有益。（预报过程中的资料同化）（预报过

30、程中的资料同化）两类资料同化的方法两类资料同化的方法（初始资料的同化）（初始资料的同化）：预报过程中的资料同化预报过程中的资料同化：陈耀登67陈耀登67陈耀登参数化、初边界条件陈耀登68陈耀登68陈耀登参数化、初边界条件陈耀登69陈耀登69陈耀登参数化、初边界条件陈耀登70陈耀登70陈耀登参数化、初边界条件陈耀登71陈耀登71陈耀登参数化、初边界条件Remote Sensing Observations陈耀登72陈耀登72陈耀登参数化、初边界条件我国高空探测网我国高空探测网 全国120个探空站，每天进行08、20时（北京时）两次从地面到高空25000米以上高空探测。获取高空大气温度、湿度、气压

31、和风向风速资料。 其中87个站参加全球资料交换。 共有7个探空站为全球GCOS探空站。陈耀登73陈耀登73陈耀登参数化、初边界条件我国新一代天气雷达布局我国新一代天气雷达布局计划布设计划布设158158部部新一代天气雷达新一代天气雷达; ;已经完成了已经完成了130130部建设部建设, ,并投入并投入业务使用。业务使用。（不包括台湾省、（不包括台湾省、香港和澳门特区）香港和澳门特区）陈耀登74陈耀登74陈耀登参数化、初边界条件四维同化是把不同时刻、不同地区、不同性质的气象资料，四维同化是把不同时刻、不同地区、不同性质的气象资料，通过统计与动力关系使之在动力与热力上协调起来，以求得通过统计与动力

32、关系使之在动力与热力上协调起来，以求得更为合理的初始场；或者用来更新预报值，以得到质量更好更为合理的初始场；或者用来更新预报值，以得到质量更好的连续天气分析及预报结果的问题。的连续天气分析及预报结果的问题。资料同化（资料同化（data assimilation)： 大气资料同化；海洋资料同化；陆面资料同化 多项式法；逐步订正法；多元最优插值法；变分同化法；集合卡尔曼滤波法陈耀登75陈耀登75陈耀登参数化、初边界条件客观分析-起源 分析：在天气预报中专指“实况天气图的绘画”画 天气图。分析是靠手工进行的, 不客观。两个预报员画同一张天气图,由于学历不同、经验不同、动手能力和敬业精神不同,他们会得到很不相同的结果。陈耀登76陈耀登76陈耀登参数化、初边界条件客观分析-定义 定义：使用满足某一