中尺度数值天气预报模式

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……
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z
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
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……
理解与认识
• 关于数值天气预报的10个常见错误概念！
Ten Common NWP Misconceptions
10个常见错误概念
• • • • • • • • • • 分析必须与观测一致 高分辨率可解决一切问题 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 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 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40km的现象 一旦模式改进，MOS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
卡尔曼滤波
……
一旦模式改进，
• 如果MOS预报方程不更新，会造成MOS预报结果 反而变坏
• MOS预报往往不能适应“新情况”
1：模式改进 2：异常情况 3：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
20km分辨率
40km分辨率（= 2×20km）
80km分辨率（= 4×20km）
划分
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 现象尺度：气候模式，天气尺度模式， 中小尺度 模式，微尺度模式
GCM ECWMF NCEP；MM5，RAMS；METRAS MOM POM HAMSAM SWAN
Too many！
Who?
Numerical weather prediction was attempted first by Lewis F. Richardson in 1922
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）
模式 格点 内部 对流 实际 情况 与 模式 预报 情况 对比
无参数化
5：能预报好天气系统就意味也能预报好对流
苏格拉底说：
“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 预报如降水、温度、湿度、风与气压可能很离谱！
• 提高分辨率
描述更多细节，避免对流参数化，….
• 数据同化
提高初值场的质量，….
• 发展多尺度通用模式
减小嵌套误差，….
• 采用集合预报
Hope
短时预报
数值预报在不断进步……！
MM5实时预报系统 http://211.64.128.24
Thank you very much!
有些物理过程太复杂……
有些物理过程的影响必须考虑……
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
边界条件
初始条件
时变侧边界条件
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
垂直分辨率的影响
挑战与展望
提高分辨率！
改进参数化方案！
加强数据同化！
Lorenz系统
观测数据在“爆炸”
挑战主要体现在以下三个方面：
• 分辨率较粗 改进模式 提高计算资源
• 参数化错误
改进参数化方案
• 初始化不够精确
（初值场与边界 条件）
数据同化
单一模式而言！ 决定性预报
不同模式有不同的特征
介绍
• 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 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 气灾害如龙卷与中尺度对流系统。
中尺度气象研究内容
中尺度现象
中尺度模式通常是有限区域模式
地球模拟器
性能相当于20万台个人电脑 在试运行中，将地表分割为大约10公里见方的区域，模 拟大气及海流的变化情况。模拟地球上1天的大气流动， 只用40分钟。
Monterey Bay wind eddies
例子 2
一个实际例子
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
10 km
3 km 1 km
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
• • • • •
差分格式 垂直坐标 参数化方案 数据同化方案 等等……..
导致结果不尽相同，甚至相差很远！
采用不同积云对流参数化对降水的影响
采用单一预报模式有时预报误差很大
集合预报
集合预报
• 不同的初值场 • 不同的参数化方案 • 不同的模式
一个实际例子
集合预报很有“威力”！
展望
中尺度模式结果的重要性 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 特别是在山地与海岸地区
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
对于一种特定的现象需要多大的水平格距？
例子 1
中尺度数值天气预报模式
高山红 中国海洋大学
内容
• • • • 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？ 理解与认识 挑战与展望
数值天气预报的发展历史
• 古代气象学
观测：中国人最早开始有规律地记载对气象的 观察。远在公元前1300年的殷商时期，就有了 连续10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1066年），对 气候的描述才开始正式列入历史的记载。
高分辨率、流体非静力中尺度模式 MM5, RAMS, WRF
Forecasters 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.
背对地面风，顺时针转30º ，低压在左，高压在右。
地面站
探空站
锋面气旋理论
• 槽来脊往 • 需要经验 • 但是不能总靠经验，因为这种东西很难 从父亲传给儿子
数值天气预报思想的诞生
• 经典物理学的发展历史
• 流体力学控制方程
• V. Bjerknes 于1904年首先指出 • 基于计算机
数值天气预报模式
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
模式地面2m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！
不同的模式计算地面变量区Biblioteka Baidu很大
7：晴天情况下的辐射影响很容易处理
必须考虑云的影响
为什么辐射不能被很好地处理
1：层平均 2：平均变量 3：云类型判断不准 4：影响地面，从而影响 边界层，……
初值条件 边界条件
u m p p * p ( * ) t p x p x m m V u ( f u v ) y x uw ew cos Du rearth
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 离散化）才能得到其解。
Based on the idea of Bjerknes
1950年，第一次数值 天气预报取得成功！
北美500hPa高度场
正压过滤模式
数值预报流程图
中尺度天气预报模式 是如何工作的？
内容
• • • • • • • • 介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
5：辐射计算很耗计算 时间，因此模式通常 每个一段时间才计算 一次
8： 20km的格距能分辨特征长度为40km的现象
理想情况
结论：
20km分辨率一般连具有80km特征尺度的 现象都不能很好地分辨！
实际情况
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，MOS预报会随之改进
线性回归
• 谚语：罗马人与青蛙 大约在公元前278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 沱大雨。” 古罗马诗人维吉尔在《农事诗》中写道：“如果 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。”
现代气象学
• 天气——战场决胜的因素
恺撒攻打不列颠（公元前55年，风暴） 英法百年战争（1346，1415，大雨） 拿破仑进攻俄国、滑铁卢之战（1788，大雨、大冰雹） 忽必烈攻打日本（1274，1281，台风）
• • • • • 举例：屋子里气球的漂移 介绍初始条件、时变边界条件 动力框架与热力框架 参数化问题 数值计算问题（计算量、误差）
模式
从数学角度来讲，气象/海洋 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 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。
1 2 h( z , t ) z gt 2
• 现代气象学诞生于风暴之中
1854年11月14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，400人死亡！ 天文学家调查的结果是：风暴在11月12日即以存在，在两天之内 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 分都具有迁移性。 现代气象学于是迈出了它的第一步！
监测网的建立
• 法国设立监测网（最初有24个，其中13个以电 报互相联系）；至1865年，整个欧洲气象网有 59个站。 • 观测结果： 天气的变化，似乎与气压表读出的大气压力关 系密切。
早期的天气图
1877, newspaper, Sydney
1885, western Europe
地面等压线外推法
• 荷兰的白贝罗与白贝罗定律（Buys-Ballot,1817-1890)
1：分析必须与观测一致 （00h预报应该与观测非常接近）
应该考虑模式格点的离散性！
2：高分辨率可解决一切问题
分辨率的提高能改进降水预报结果！
2000年12月30日风暴 造成的总降水分布
又一个好例子
一个坏例子
3：地表条件已经精确给定
地表植被与地形高度
植被的逐月变化
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
垂直方向上需要多少层？
垂直分层的原则
不同的模式有不同的垂直坐标系统
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
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……
流体静力假设适用于 天气尺度，全球尺度 以及一些中尺度系统 水平尺度与垂直尺度相当， 必须考虑流体非静力。 如重力波、强对流系统。
初始时刻模式分析与观测的对比
模式预报与观测的对比
细网格结果往往与粗网格有“很大的区别” ？
降水预报仍是个难题！
• • • • • • • •
介绍 水平分辨率 垂直分辨率 流体静力与流体非静力 参数化 边界条件与初值化 使用中尺度模式 三个问题
• 1：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？ • 3：中尺度模式预报精度比全球模式下降要快？