《中长期天气预报》第三章 中期数值天气预报

第三章中期数值天气预报 数值天气预报概念: 根据大气动力学和热力学定律,建立 基本方程组,应用数学物理方程的数值积 分方案,对未来的天气形势和气象要素作 出预报的方法

第三章 中期数值天气预报 一、数值天气预报概念： 根据大气动力学和热力学定律，建立 基本方程组，应用数学物理方程的数值积 分方案，对未来的天气形势和气象要素作 出预报的方法

中期数值天气预报历史 1、国外: (1)世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家 Richardson,但由于只有一台手摇式小计算机,另外他的模 式中包含了大量的物理过程,因而影响了他的工作,所得结果 与实际不符。 (2)20世纪40年代,世界上第一台电子计算机的问世,数学家 John von neumann解决的第一个问题是预报天气形势。以 Charney为首的一批科学家在其第一次数值天气预报中是用滤 去声波和重力波的简化方程组,因过于简单未成功。 (3)1956年, Phillips在这个简化方程组中加了几个强迫作用 项,进行长期积分,给出了大气环流的许多特征。 (4)此后,数值天气预报迅猛发展。到20世纪70年代中期以来, 由于波谱技术的应用,所以目前许多国家都采用谱模式制作全 球或半球的中期数值天气预报,并取得了较大的成功,其中, 以 ECWMF的中期数值天气预报水平最高

二、中期数值天气预报历史 1、国外： （1）世界上第一位企图做数值天气预报的是英国的科学家 Richardson ，但由于只有一台手摇式小计算机，另外他的模 式中包含了大量的物理过程，因而影响了他的工作，所得结果 与实际不符。 （2）20世纪40年代，世界上第一台电子计算机的问世，数学家 John von Neumann 解决的第一个问题是预报天气形势。以 Charney 为首的一批科学家在其第一次数值天气预报中是用滤 去声波和重力波的简化方程组，因过于简单未成功。 （3）1956年，Phillips 在这个 简化方程组中加了几个强迫作用 项，进行长期积分，给出了大气环流的许多特征。 （4）此后，数值天气预报迅猛发展。到20世纪70年代中期以来， 由于波谱技术的应用，所以目前许多国家都采用谱模式制作全 球或半球的中期数值天气预报，并取得了较大的成功，其中， 以ECWMF的中期数值天气预报水平最高

2、国内: (1)我国中期数值天气预报起步较晚,发展较快 (2)1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方 程组数值预报模式,为我国开展中期数值天气预报奠定 了基础, (3)国家计委于1984年5月正武批准了国家气象中心以 建立中期为主的数值预报业务系统的扩建工程项目, 国家科委也把发展中期数值天气预报定为“七五”期间 重点科研攻关项目。经多方面专家的反复研究和科学论 证,国家气象中心决定引进 ECMWF的波谱模式预报系 统 (4)1990年1月,国家气象中心在 ECMWE的波谱模式 的基础上加以改进的中期数值天气预报T42L9的谱模 式和整个中期数值天气预报业务系统一起投入业务运行, 经过一年的预报实验,证明了系统性能稳定可靠,并于 1991年1月正式转为业务运行

2、国内： （1）我国中期数值天气预报起步较晚，发展较快 。 （2）1976年中国科学院大气所发展了我国第一个原始方 程组数值预报模式，为我国开展中期数值天气预报奠定 了基础， （3）国家计委于1984年5月正式批准了国家气象中心以 建立中期为主 的数值预报业务系统的扩建工程项目 ， 国家科委也把发展中期数值天气预报定为“七五”期间 重点科研攻关项目。经多方面专家的反复研究和科学论 证，国家气象中心决定引进ECMWF的波谱模式预报系 统。 （4）1990年1月，国家气象中心在ECMWF的波谱模式 的基础上加以改进的中期数值天气预报 T42L9 的谱模 式和整个中期数值天气预报业务系统一起投入业务运行， 经过一年的预报实验，证明了系统性能稳定可靠，并于 1991年1月正式转为业务运行

第一节中期数值天气预报的物理基础 基本方程组 1.基本方程组的一般形式 dy Vp-22×+g+ t V=0 p=RT(1+0.6O84) (3.1) C,( y p dt

第一节 中期数值天气预报的物理基础 一、基本方程组 1.基本方程组的一般形式 (3.1) 1 2 0 (1 0.608 ) 1 ( ) p dV p V g F dt d V dt p RT q dT T dp c dt p dt dq E dt           = −  −   + +     +  • =   = +  −  − =    = 

2.适于中期数值天气预报的球谱模式的基本方 程组(不考虑水平扩散和非绝热项)P24~25 8个方程 (1)绝对涡度方程 OF1 OFY ota(1-2)O兄 O∠A(32) (2)散度方程 aD 1 OF 1 aF +--V(Φ+E+RTmp ot a(1-u)on a du (33)

2. 适于中期数值天气预报的球谱模式的基本方 程组（不考虑水平扩散和非绝热项）P24~25 8个方程 (1)绝对涡度方程 （3.2） (2)散度方程 （3.3） 2 1 1 (1 ) Z F F v U t a a       = −  −   2 2 0 1 1 ( ln ) (1 ) V V s D F F E RT p t a a       = + −   + +  −  

(3)热力学方程 OT aT atsL-oo(o Ddo-Co RT Ddo)-o Ddo do 0 0 0 (34) (4)状态方程 (3.5) Φ=Φ- ri TdIn 1 a0 1 aV (3.6) da-o Ot a(1-u)on a du 00

(3)热力学方程 （3.4） (4)状态方程 (3.5) (5)水气通量方程 (3.6) ' 1 0 0 0 0 0 ( ) p T T RT L Dd Dd Dd t c           = − − −      0 s v R T d ln   =  −   2 1 1 (1 ) q q U V q q Dq t a a          = − − + −  −   

(6)地面气压的倾向方程 (D+V.VIn p do (3.7) at (7坐标中的垂直速度方程 o=-(D+.VInp, do+[(D+voVIn p do(3.8) (8)P坐标中的垂直速度方程 =·Vlnp P o Jo(D+vVIn s )do(3.9)

(6)地面气压的倾向方程 (3.7) (7) 坐标中的垂直速度方程 (3.8) (8)P坐标中的垂直速度方程 (3.9) 1 0 ln ( ln ) p D V p d s s t   = − + •    1 0 0 ( ln ) ( ln ) D V p d D V p d s s     = − + • + + •   0 1 ln ( ln ) V p D V p d s s P     = • − + • 

3模式大氘的垂直分层和变量的位置 O O 1--------p1=(T1,C1,V 15411 2 2 2 N

3模式大气的垂直分层和变量的位置 1 1 ____________ 0, 0 2   = = 1 ( , , , , , ) −−−−−−−− = p T U V q D 1 1 1 1 1 1 1  2 1 1 ___________ 2  2−−−−−−−−P2 3 1 2 ___________ 2  3−−−−−−−−− P3 −−−−−−−−−− 1 _________ 2 N −  N N P −−−−−−−−− N 1 0 0 1 __________ 0, 1,ln , 2 N p + = =    N+

●4短、中棋式大乞的含义比较 必须根据不同时空尺度大气运动的特点和预报时效 的长短等设计各种能近似地考虑摩擦、非绝热加热 和水气源汇影响的大气模式 ●超过3-4天的预报就必须考虑海面对大气的影响, 这时所需要的初始资料至少要北半球范围,甚至还 要扩展到另一个半球。 ●对于一周以上的预报,则需要使用包括大气和海洋 各种动力过程的完整的动力学模式,需要全球各层 的观测资料 预报时效越长,需要考虑的物理过程越多,所需初 始资料越多

4.短、中模式大气的含义比较 必须根据不同时空尺度大气运动的特点和预报时效 的长短等设计各种能近似地考虑摩擦、非绝热加热 和水气源汇影响的大气模式。 超过3-4天的预报就必须考虑海面对大气的影响， 这时所需要的初始资料至少要北半球范围，甚至还 要扩展到另一个半球。 对于一周以上的预报，则需要使用包括大气和海洋 各种动力过程的完整的动力学模式，需要全球各层 的观测资料。 预报时效越长，需要考虑的物理过程越多，所需初 始资料越多

二、控制大尺度大气运动的主要物理过程 及其参数化 (一)大气内部非绝热加热作用 1.辐射热流量(短波(臭氧、云等)、大气内部长 波(云、CO2、水汽等)) 2凝结热流量(1)大尺度凝结(锋面),(2)小 尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两 种方案:(对流调整方案(空气饱和、空气未饱 和)、水汽辐合方案(郭晓岚方案及偎设、积云 产生的条件、模式云、降水)) 3.湍流热量(大气内部各层之间温度差异)

二、控制大尺度大气运动的主要物理过程 及其参数化 （一）大气内部非绝热加热作用 1.辐射热流量（短波（臭氧、云等）、大气内部长 波（云、CO2、水汽等）） 2.凝结热流量（1）大尺度凝结（锋面），（2）小 尺度对流凝结。小尺度对流凝结参数化方法有两 种方案：（对流调整方案（空气饱和、空气未饱 和）、水汽辐合方案（郭晓岚方案及假设、积云 产生的条件、模式云、降水）） 3.湍流热量（大气内部各层之间温度差异）