第1讲 动力框架

1、及其产品应用及其产品应用培训培训大纲的大纲的内容和要求内容和要求 第一章第一章 数值预报模式（数值预报模式（8学时）学时） 第二章第二章 中短期预报业务数值预报产品介绍中短期预报业务数值预报产品介绍（4学时）学时） 第三章第三章 数值预报产品统计释用（数值预报产品统计释用（4学时）学时） 培训内容：培训内容：模式方程组；模式垂直坐标系特点及局限性；模式方程组；模式垂直坐标系特点及局限性；水平分辨率与垂直分辨率；空间差分方案；时间积分方案；水平分辨率与垂直分辨率；空间差分方案；时间积分方案；初值形成；初值形成；辐射过程参数化；云与降水过程参数化；陆面过辐射过程参数化；云与降水过程参数化；陆面过程

2、参数化；湍流过程参数化。大气的可预报性与集合预报。程参数化；湍流过程参数化。大气的可预报性与集合预报。 培训要求：培训要求：了解原始方程模式方程组；了解静力近似对模了解原始方程模式方程组；了解静力近似对模式的影响，理解数值模式垂直坐标的特点；理解空间分辨率式的影响，理解数值模式垂直坐标的特点；理解空间分辨率的影响；理解空间差分的特点与局限性；理解时间积分的特的影响；理解空间差分的特点与局限性；理解时间积分的特点与局限性；了解计算误差；了解各种参数化方案的特点及点与局限性；了解计算误差；了解各种参数化方案的特点及局限性；了解数据同化的概念与用途；了解集合预报的原理局限性；了解数据同化的概念与用途

3、；了解集合预报的原理及作用。及作用。 培训内容：培训内容：业务数值模式产品；日本数值模式产业务数值模式产品；日本数值模式产品传真图。品传真图。 培训要求：培训要求：初步掌握中短期预报所用的主要模式初步掌握中短期预报所用的主要模式的产品；了解日本传真图的命名方式，初步理解的产品；了解日本传真图的命名方式，初步理解传真图的应用；了解产品检验的基本方法，初步传真图的应用；了解产品检验的基本方法，初步理解各模式的预报性能。理解各模式的预报性能。 培训内容：培训内容：数值预报产品统计释用技术和数值预报产品统计释用技术和方法。方法。 培训要求：培训要求：了解数值预报产品统计释用技了解数值预报产品统计释用技

4、术和方法，以及特点及局限性。术和方法，以及特点及局限性。数值数值天气天气预报预报及其产品及其产品应用应用（课表安排）（课表安排）10.22(三三) 上午上午数值预报简介（一）数值预报简介（一） 动力框架动力框架巩远发巩远发10.31(五五) 上午上午数值预报简介（二数值预报简介（二） 物理过程物理过程巩远发巩远发11.06(四四) 上午上午数值预报简介（三）数值预报简介（三） 数据数据同化同化朱克云朱克云11.25(二二) 上午上午数值预报简介（四数值预报简介（四） 常用常用数值预报数值预报模式简介模式简介 （EC，NCEP，T639）巩远发巩远发12.01(一一) 上午上午讲座：数值预报产品

5、统计释用技术简讲座：数值预报产品统计释用技术简介介01巩远发巩远发12.02(二二) 上午上午讲座：数值预报产品统计释用技术简讲座：数值预报产品统计释用技术简介介02巩远发巩远发1. 沈桐立，田永祥，沈桐立，田永祥，陆维松陆维松等等. 数值天气预报数值天气预报. 北京：气象出版社，北京：气象出版社，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. 廖洞贤，王两铭廖洞贤，王两铭. 数值天气预报原理及其应用数值天气预报原理及其应用. 北京：气象出版社，北京：气象出版社，19865. 张玉玲，吴辉碇，王晓林张玉玲，吴辉碇，王晓林. 数值天气预报数值天气预报. 北京：科学气象出版社，北京：科学气象出版社，19866. 周毅，侯志明，刘宇迪等周毅，侯志明，刘宇迪等. 数值天气预报基础数值天气预报基础. 北京：气象出版社，北京：气象出版社，20037. 周毅，刘宇迪，桂祁军等周毅，刘宇迪，桂祁军等. 现代数值天气预报现代数值天气预报. 北京：气象出版社，北

7、京：气象出版社，20028. 孔玉寿，章东华孔玉寿，章东华. 现代天气预报技术现代天气预报技术. 北京：气象出版社，北京：气象出版社，2000第一讲第一讲 动力框架动力框架一一 引论引论二二 数值天气预报模式方程组数值天气预报模式方程组 三三 模式垂直坐标系特点及局限性模式垂直坐标系特点及局限性四四 水平分辨率与垂直分辨率水平分辨率与垂直分辨率五五 简单的简单的空间差分空间差分和和时间积分方案时间积分方案一一 引论引论1 天气预报天气预报的分类的分类2 什么什么是数值天气预报是数值天气预报 3 数值天气预报数值天气预报(模式模式)发展发展4 集合集合数值天气预报数值天气预报5 目前目前的数值预

8、报的数值预报水平水平6 数值预报模式的分类数值预报模式的分类 什么是天气预报什么是天气预报 天气预报的分类天气预报的分类 短期天气预报、中期天气预报、长期天气预报短期天气预报、中期天气预报、长期天气预报 临近预报临近预报 、气候预测、气候预测 天气学方法、统计预报、数值预报天气学方法、统计预报、数值预报 1-6小时之内则为短临预报（临近预报）小时之内则为短临预报（临近预报） 1-2天为短期天气预报天为短期天气预报 3-15天为中期天气预报天为中期天气预报 月、季为长期天气预报月、季为长期天气预报 气候预测气候预测 应用计算机，通过数值求解流体力学、热力学、应用计算机，通过数值求解流体力学、热力

9、学、动力气象学的预报方程组，来制作天气预报。动力气象学的预报方程组，来制作天气预报。 数值天气预报是数值天气预报是根据大气的运动方程组，在一定初始条根据大气的运动方程组，在一定初始条件和边界条件下，即从现在时刻的天气状况或大气运动件和边界条件下，即从现在时刻的天气状况或大气运动状态状态( (边界条件和初始条件边界条件和初始条件) )，通过数值计算，用计算机，通过数值计算，用计算机求解描写天气演变过程的大气运动求解描写天气演变过程的大气运动( (流体力学和热力学流体力学和热力学) )方程组，得到方程组，得到( (预报出预报出) )未来天气状况和大气运动变化状未来天气状况和大气运动变化状态的方法。

10、态的方法。 不同于传统的天气学方法的不同于传统的天气学方法的定性的和主观的定性的和主观的预报，数值预报，数值天气预报是天气预报是定量的和客观的定量的和客观的预报。预报。 2022-6-26142022-6-26152022-6-2616 1904年数值天气预报思想的提出年数值天气预报思想的提出 ( Bjerknes ) 1922年数值天气预报的尝试年数值天气预报的尝试-原始方程模式原始方程模式 (Richardson) 1930年代和年代和1940年代高空观测网的建立、动力气象理论年代高空观测网的建立、动力气象理论的发展的发展 ( Rossby ) 1950年首次成功的北美地区年首次成功的北美

11、地区500 hPa高度场的高度场的24小时预小时预报报 准地转正压模式准地转正压模式 ( Charney, Von Neumann ) 1959年利用原始方程模式作预报获得了成功，其效果与年利用原始方程模式作预报获得了成功，其效果与准地转正压模式相当准地转正压模式相当 ( Phillips ) 1960年代预报模式的发展和完善并投入业务年代预报模式的发展和完善并投入业务 1970年代逐步广泛地用于业务预报年代逐步广泛地用于业务预报 1980年代一个星期左右的中期预报年代一个星期左右的中期预报 1990年代和目前的月季预报和气候预测年代和目前的月季预报和气候预测 1904年，挪威科年，挪威科学家

12、，比杰克尼学家，比杰克尼斯斯(Bjerknes，1862 1951) 教授首次教授首次提出数值天气预提出数值天气预报的理论思想。报的理论思想。19161918年期间（第一次世界大战），理查逊博士应征到前线的救护车队当司机，他利用出车的空余时间，尝试实践比杰克尼斯的数值天气预报理论思想，用手工的计算工具，直接求解气压、风速方程，推算未来伦敦6小时的气压变化。英国科学家，理查逊博士英国科学家，理查逊博士理查逊首次尝试“计算天气”，结果，失败了，计算出伦敦6小时变压达145hPa (算数是对的，结果是荒谬的)理查逊设计的计算工厂：理查逊设计的计算工厂：6万万4千人，用手千人，用手工计算器，计算出一次

13、全球工计算器，计算出一次全球3小时预报小时预报 1922年出版书年出版书 战争结束回到伦敦后，他出版了书，总结失败的科学问题；并估计业务计算问题1950年，世界上第一张年，世界上第一张成功的数值天气预报图：成功的数值天气预报图：500mb高度场和涡度场高度场和涡度场（变高变涡度场）（变高变涡度场）初始初始24hrs 观测观测24hrs 预报预报24hrs 变高、涡变高、涡NWP的成功制造者：查尼、费也托夫和冯诺伊曼 CharneyCharney等等3 3人取得人取得NWPNWP成功的原因和条件：成功的原因和条件：(1) 高空观测网建立：由于第二次世界大战空军作战的高空观测网建立：由于第二次世界

14、大战空军作战的需要，发明了大气高空探测技术，获取了必要的大需要，发明了大气高空探测技术，获取了必要的大气参数资料；气参数资料；(2) 计算机发明：由于战争核武器的发展需要，发明计算机发明：由于战争核武器的发展需要，发明了可以自动快速计算的机器，解决了大量的科学了可以自动快速计算的机器，解决了大量的科学计算问题；计算问题；1946， ENIAC 电子管计算机电子管计算机(30吨，吨，占地占地167m2，387次乘法运算次乘法运算/秒秒) (3) 大气科学理论取得突破性发展：罗斯贝提出了大大气科学理论取得突破性发展：罗斯贝提出了大气长波理论，推进了正压涡度模式、滤波模式、气长波理论，推进了正压涡度

15、模式、滤波模式、平衡模式的建立。平衡模式的建立。 1955年用图解法求解两层模式做出了年用图解法求解两层模式做出了500hPa 24小时的预报。小时的预报。 1959年底，开始用电子计算机制作亚欧范围和北半球范围的年底，开始用电子计算机制作亚欧范围和北半球范围的正压、斜压过滤模式的高度场数值预报。正压、斜压过滤模式的高度场数值预报。 1965年春，国家气象局开始发布正压年春，国家气象局开始发布正压500hPa预报。预报。 1969年年, 资料处理、客观分析和预报的自动化方案试验成功。资料处理、客观分析和预报的自动化方案试验成功。 1973年年, 开始用原始方程三层模式制作预报。开始用原始方程三

16、层模式制作预报。 1980年代初，从接收资料到填图、分析和输出预报图，都实年代初，从接收资料到填图、分析和输出预报图，都实现了自动化，预报模式发展到多层原始方程模式，考虑了地现了自动化，预报模式发展到多层原始方程模式，考虑了地形和水汽凝结潜热加热等物理过程的影响。形和水汽凝结潜热加热等物理过程的影响。B模式模式 1990年代，在初值处理、卫星资料的应用和四维同化等问题年代，在初值处理、卫星资料的应用和四维同化等问题的解决上都有了长足进展，预报准确率进一步提高。的解决上都有了长足进展，预报准确率进一步提高。 中期数值天气预报业务系统中期数值天气预报业务系统 目前国家气象中心业务系统中有：目前国家

17、气象中心业务系统中有：T639L60、GRAPES 、台、台风、沙尘暴、集合预报等模式系统。风、沙尘暴、集合预报等模式系统。 气象学报气象学报第第35卷第卷第4期，期，1965年正式向全国发布年正式向全国发布48小小时时500hPa形势预报形势预报 揭开揭开 序幕序幕开创新纪元开创新纪元的时代的时代迅速发展取得巨大成就迅速发展取得巨大成就的时代的时代面临巨大挑战的时代面临巨大挑战的时代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过程的完善分辨率的提高和物理过程的完善圈层的耦合、生物和圈层的耦合、生物和化学过程的增加完善化学过程的增加完善含含5个功能块个功能块:物理气候系统物理

20、气候系统(天天蓝色蓝色)生物地球化学系统生物地球化学系统(深黄色深黄色)人类活动影响相关人类活动影响相关联的人文联的人文(或社会或社会科学科学)系统系统(紫红色紫红色)固体地球固体地球(蓝色蓝色)太阳活动有关的空太阳活动有关的空间天气间天气(红色红色)固体地球和空间天固体地球和空间天气的影响在物理气气的影响在物理气候系统模式和地球候系统模式和地球气候系统模式中只气候系统模式中只是用已知的资料作是用已知的资料作为单向强迫来简单为单向强迫来简单考虑考虑,只有在地球系只有在地球系统模式中才能得到统模式中才能得到较客观的描述。较客观的描述。 集合数值天气预报是集合数值天气预报是1990年代投入业务的新

21、预报技术。年代投入业务的新预报技术。 数值预报中存在问题：数值预报中存在问题：由于观测误差，包括观测仪器的误差，由于观测误差，包括观测仪器的误差，观测站点在时空上的不够密集引起的误差，以及资料分析、观测站点在时空上的不够密集引起的误差，以及资料分析、同化处理中的计算误差，我们所得到的作为数值模式的初始同化处理中的计算误差，我们所得到的作为数值模式的初始场总含有不确定性。因此，实际大气的真正状态永远不可能场总含有不确定性。因此，实际大气的真正状态永远不可能被精确地估计出来，那么以这个初始场作为初值的模式解也被精确地估计出来，那么以这个初始场作为初值的模式解也仅仅是实际大气可能出现的一个解。仅仅是

22、实际大气可能出现的一个解。 解决方案：解决方案：为了减少由于资料误差、模式误差和大气混沌特为了减少由于资料误差、模式误差和大气混沌特性引起的数值预报的不确定性，尝试根据某种误差概率分布性引起的数值预报的不确定性，尝试根据某种误差概率分布生成一组初始数据集，从而制作出与之对应的一组预报组合，生成一组初始数据集，从而制作出与之对应的一组预报组合，然后用适当的方法对其集成，这就是集合数值天气预报。然后用适当的方法对其集成，这就是集合数值天气预报。 时间时间气候特征气候特征初值的不确定初值的不确定X确定性预报确定性预报分析分析预报不确定性预报不确定性6 现在的数值预报水平现在的数值预报水平 5 目前的

23、数值预报水平目前的数值预报水平2022-6-26372022-6-26382022-6-26392022-6-264072h48h24h 区域模式、区域模式、全球模式全球模式 短期模式、中期模式短期模式、中期模式 气候模式、气候系统模式气候模式、气候系统模式 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、谱模式差分模式、谱模式 物理定律物理定律 数学公式数学公式 牛顿第二定律牛顿第二定律运动方程运动方程 质量守恒定律质量守恒定律连续方程连续方程 理想气体实验定律理想气体实验定律状态方程状态方程 能量守恒定律能量守恒定律热力学方程热力学方程 水汽质量守恒定律水汽质量守恒定律水汽方程

24、水汽方程大气运动方程组大气运动方程组 牛顿第二定律：牛顿第二定律： 惯性坐标系惯性坐标系旋转坐标系：旋转坐标系： 绝对加速度和相对加速度：绝对加速度和相对加速度： 旋转坐标系中作用于空微团上的力：旋转坐标系中作用于空微团上的力： 旋转坐标系中的运动方程旋转坐标系中的运动方程 (1.12) m aFmaFddaaiitVF12dpgFdt VV 质量守恒定律：质量守恒定律： 用速度散度的定义用速度散度的定义 (1.13) (1.14) 问题：问题：两种形式的连续方程两种形式的连续方程 (1.13)和和(1.14)的不同含义的不同含义?()0dMdt()0ddt0ddt V()0tV 状态参量：气

25、压状态参量：气压 p、密度、密度、温度、温度 T 均匀系统的状态方程：均匀系统的状态方程：f ( p, , T ) = 0 理想气体实验定律：理想气体实验定律：Boyle-Charles定律定律 一般的一般的(干干)空气状态方程：空气状态方程： (1.15) 未饱和湿空气状态方程：未饱和湿空气状态方程： (1.18) pRT(1 0.618 )vpRq TRT 一般的热力学方程：热力学第一定律一般的热力学方程：热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律 (1.19) (1.22) 绝热绝热(Q=0)的热力学方程的热力学方程 (1.23) (1.25) 考虑水汽相变的热力学方程考虑水汽相变的热力学方

26、程 (1.26) 假绝热过程的热力学方程假绝热过程的热力学方程 (1.27) dEQdtlnpdc TQdtlnln0pdTdpcRdtdt0ddtpldTRT dpdqdTcQLcldtp dtdtdtspdqdTRT dpcLdtp dtdt 水汽质量守恒定律：水汽质量守恒定律： 水汽质量守恒方程：水汽质量守恒方程： 饱和假绝热过程：饱和假绝热过程： 凝结函数：凝结函数：()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干空气（干空气（1.37）湿空气（湿空气（1.38） 初始条件就是初始时刻各因变量（即气象要素）初始条件就是初始时刻各因变量（即气象要素）的空间分布。的空间分布。 初始条件的一般形式为初始条件的一般形式为 (, 0)(, 0)(, 0)0,(, 0)(, 0)(, 0).uuxy zvv xy zwwxy ztppxy zTTxy zqqxy z 是研究区域的大气边界上气象要素应满足是研究区域的大气边界上气象要素应满足的条件。的条件。 如果研究

28、全球范围的大气运动，并且大气如果研究全球范围的大气运动，并且大气内部各气象要素都是连续的，则只需要给内部各气象要素都是连续的，则只需要给出大气的出大气的下边界条件和上边界条件下边界条件和上边界条件； 如果大气内部存在有不连续面，则还需要如果大气内部存在有不连续面，则还需要给出给出内边界条件内边界条件。l 大气的下边界就是地球表面上，而地球表面可视为一物质面。大气的下边界就是地球表面上，而地球表面可视为一物质面。假设大气为理想流体，如果不考虑地表面的起伏不平，则下假设大气为理想流体，如果不考虑地表面的起伏不平，则下边界条件取为边界条件取为 z = Zs( x , y ) , s = 0 Zs为地

29、表面的拔海高度。上式表明，地表面的垂直速度为零。为地表面的拔海高度。上式表明，地表面的垂直速度为零。l 如果考虑地形的起伏，则下边界条件取为如果考虑地形的起伏，则下边界条件取为 z = Zs( x , y ) , s = Vhsh Zs Vhs为地表面的水平凤速。上式表明，沿起伏不平的地表面运为地表面的水平凤速。上式表明，沿起伏不平的地表面运动的空气微团有爬坡垂直速度。动的空气微团有爬坡垂直速度。l 大气运动基本方程组是在大气为连续介质的假定下建立起大气运动基本方程组是在大气为连续介质的假定下建立起来的。连续介质假定成立的极限高度可视为大气的上界，来的。连续介质假定成立的极限高度可视为大气的上

30、界，大气上界的高度比平流层、中间层大气的高度要高得多。大气上界的高度比平流层、中间层大气的高度要高得多。l 在大气上界，可以认为大气与在大气上界，可以认为大气与“外界外界”无质量交换。因此，无质量交换。因此，上边界条件取为上边界条件取为 z TT = 0l 式中式中T、T分别为大气上界的密度和垂直速度。上式表明，分别为大气上界的密度和垂直速度。上式表明，在大气上界，空气质量的垂直通量为零。在大气上界，空气质量的垂直通量为零。l 大气内部经常存在过渡带或不连续面，例如锋面和逆温层大气内部经常存在过渡带或不连续面，例如锋面和逆温层等。在锋面两侧，气压梯度和温度梯度都是不连续的，因等。在锋面两侧，气

31、压梯度和温度梯度都是不连续的，因而在锋面上运动方程和连续方程都失去意义，处理这类问而在锋面上运动方程和连续方程都失去意义，处理这类问题的方法是把不连续面视为内边界。题的方法是把不连续面视为内边界。l 通常假定内边界面为一物质面，即内边界面两侧不同属性通常假定内边界面为一物质面，即内边界面两侧不同属性的气团只沿界面运动，而不穿越界面。的气团只沿界面运动，而不穿越界面。返回大气运动的基本方程组大气运动的基本方程组（干空气或湿空气）（干空气或湿空气）初始条件和边界条件初始条件和边界条件( (现在的大气状态）现在的大气状态）求求(数值数值)解解未来各个未来各个不同时刻的不同时刻的大气状态大气状态三 模

32、式垂直坐标系特点及局限性 1 球坐标系及其基本方程组球坐标系及其基本方程组 2 (局地局地) Z 坐标系中的基本方程组坐标系中的基本方程组 3 （气压）（气压）p 坐标系的特点坐标系的特点 4 （考虑地形）（考虑地形） 坐标系的特点坐标系的特点 5 几种考虑地形的垂直坐标系几种考虑地形的垂直坐标系坐标系？坐标系？T=0T=1, T = n未来不同时间未来不同时间气象要素的演变？气象要素的演变？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 用气压用气压 p 来代替高度来代替高度 z 作为空间的垂直坐标。作为空间的垂直坐标。适用于等压面分析。适用于等压面分析。连续方程的形式简单，密度连续方程的形式简单，密度不在其中出现。不在其中出现。用静力学方程代替垂直运动方程，从而把对天用静力学方程代替垂直运动方程，从而把对天气变化影响不大的垂直声波虑掉。气变化影响不大的垂直声波虑掉。下边界难于处理，不适合用其来研究地形对大下边界难于处理，不适合用其来研究地形对大气运动的影响。气运动的影响。采用了静力近似假定，不适合用其来研究中小采用了静力近似假定，不适合用其来研究中小尺度天气系统的运动变化规律。尺度天气系统的运动变化规律。22()0hpphhphppdVf kVFdtRTppVpCRQuvtxyppC pRTp （1.123） p坐标的变形，用坐标的变形，用 ( p