第6章 物理过程参数化和资料同化问题

数值天气预报大气科学学院陈耀登QQ：3545881课程任务数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法课程目标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；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；数值天气预报理论和方法天气预报的三次跃进（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基于15km粗网格数值模式

预报的经验推断“今天下午，本市局部地区有时有雷阵雨”需要定时、定点、定量

的精细化预报山东半岛南京北京乳山个例12小时时段强降水预报图2011年7月25号夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨，民房倒塌1600多间，死亡和失踪人数逾百人1.1中尺度天气及重要性卫星云图江苏北京α中尺度降水系统(200km-2000km)雷达回波20km2011年7月25日晚08时β中尺度对流系统

（20km-200km）γ中尺度对流单体(2km–20km)乳山站3小时325mm降水1.1中尺度天气及重要性观测预报观测雷达回波高分辨率(1km)实时试验预报美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)

(Xue等2009)三份重要文件1.中国气象局《气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）》2014.10.302.中国气象局《国家气象科技创新工程（2014—2020年）实施方案》2014.10.303.教育部、中国气象局《关于加强气象人才

培养工作的指导意见》2015.2.3中国气象局：2014.10.30《气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）》《国家气象科技创新工程（2014—2020年）实施方案》明确的三个任务：1.高分辨率资料同化与数值天气模式2.气象资料质量控制及多源数据融合与再分析3.次季节至季节气候预测和气候系统模式一、优化气象相关专业和人才结构。办好大气科学、应用气象学、大气物理与大气环境等学科专业，加强数值天气预报、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生招生规模。教育部、中国气象局《关于加强气象人才培养工作的指导意见》2015.2.3一个重要事件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。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

主要内容第一章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）主要内容第四章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（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）。主要内容第五章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。一）、引言

1、数值天气预报中的主要物理过程

2、物理过程参数化的必要性二）、湿热力过程的参数化（凝结过程）三）、物理过程参数化存在的问题模式物理过程参数化

1分钟1小时热对流龙卷等雷暴对流单体城市效应β中尺度梅雨锋台风等斜压波1天1月20m200m2km20km200km2000km10000km龙卷热对流微β尺度中气旋大龙卷短重力波微α尺度雷暴对流单体城市效应中γ尺度中尺度对流系统山地湖泊天气中β尺度组织化雷暴对流单体对流

系统大尺度中尺度2–20km30min–6h时间空间小尺度雷暴3h–1dayγ中尺度20–200km组织化大气运动是多尺度的数值天气预报中的主要物理过程1、湿热力过程（凝结过程）

1）积云对流过程

2）大尺度凝结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）数值天气预报中的主要物理过程3、辐射过程4、微物理过程WRFPhysicsRadiation辐射方案Longwave(ra_lw_physics)Shortwave(ra_sw_physics)SurfaceSurfacelayer(sf_sfclay_physics)近地面层方案Land/watersurface(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Microphysics(mp_physics)微物理方案

物理过程参数化的必要性次网格过程：由于大气是一种连续运动的连续介质，不管模式的分辨率如何高，总有一些接近于或小于网格距尺度的运动或过程，无法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为次网格过程。

次网格尺度物理过程：湍流、对流、凝结和辐射过程都包含有次网格过程。在数值预报中通过采用参数化的方法来考虑这些过程，即用大尺度变量来描述次网格过程对大尺度运动的统计效应。二）、湿热力过程的参数化（凝结过程）

凝结过程（也是潜热释放过程）分为：大尺度上升运动造成:上升慢，范围广，锋面降水积云对流产生：上升快，范围小，热带降水热力学方程（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L为凝结潜热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水汽凝结产生的非绝热加热大尺度凝结；对流凝结；对流垂直输送引起的湿度变化L为凝结潜热对流凝结

小尺度的积云对流大尺度运动总体影响的关系及相互作用

1）直接法：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

2）间接法：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。CumulusParameterization（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

积云对流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：空气拄的大尺度辐合经验常数产生对流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环境空气的比湿环境空气的温度环境空气的饱和比湿（2）对流影响的估计：(a)对流凝结加热率：（3）参数的估计：(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（3）参数的估计：最后，水汽方程可写成：直接估计其中：Anthes（1977）未凝结的水汽与各层的饱和差成正比CumulusschemeRecommendationsaboutuseFordx≥10km:probablyneedcumulusschemeFordx≤3km:probablydonotneedschemeHowever,therearecaseswheretheearliertriggeringofconvectionbycumulusschemeshelpFordx=3-10km,scaleseparationisaquestionNoschemesarespecificallydesignedwiththisrangeofscalesinmind三）、边界层过程（动量、热量、水汽）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＝0地面四）、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。

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。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过程的方法已取得了相当好的效果，但仍有许多未解决的问题:1）参数化不能考虑大尺度对小尺度的影响及其反馈作用；2）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。

中国科学：地球科学，2012，42（12）：1966-1978桑美黑格比BMJKF不同的cuscheme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cuscheme模拟的路径差异也较大。不同的cuscheme模拟的台风强度相差较大，在24h左右开始出现较大差异，且差异随时间增大。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。中国科学:地球科学,2014,44(3):548-562.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）高原山地气象研究，2011，31（2）：18-25热带气象学报，2009，25（4）：435-441热带气象学报，2012，28（4）：461-470一、数值预报中的初值问题：初、边界条件

In1904,theNorwegianhydrodynamistV.Bjerknessuggestedthat:Theweathercouldbequantitativelypredictedbyapplyingthecompletesetofhydrodynamicandthermodynamicequationstocarefullyanalyzedinitialatmosphericstates.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；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“初始化”。问题的提出：模式初始化的常用方法：①静力初始化②动力初始化③变分初始化①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 平衡风初值 考虑辐散的初始风场②动力初始化 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。③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。①静力初始化：简单、计算量小，但效果一般；②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③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。常用方法评价：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，是研究和业务中重点关注的问题之一。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三、嵌套网格边界处理问题单向嵌套：

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：先计算粗网格，粗网格为细网格提供边界；计算细网格；在边界交界处，将细网格结果反馈给粗网格。二、数值预报中的资料同化问题：L.F.Richardson(1922)WeatherPredictionbyNumericalProcess,CambridgeUniversityPress英国数学家Richardson(1922)--数值预报尝试二、数值预报中的资料同化问题：ThemajorreasonsforthefailureofRichardson’sforecast: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，使计算出现不稳定数值预报的不确定性

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）

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）两类资料同化的方法（初始资料的同化）：预报过程中的资料同化：RemoteSensingObservations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。我国新一代天气雷达布局计划布设158部新一代天气雷达;已经完成了130部建设,并投入业务使用。（不包括台湾省、香港和澳门特区）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。资料同化（dataassimilation)：

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