ECMWF 数值预报模式简介
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Single executab 14km/28kmOperational
from day 0 since 2013
ORCA1_Z42
Solar and non solar fluxes, E-P
Roughness Air density
Gustiness
Ice concentration
Ice concentration
atmECoEMsapWrthhFeromcecooeudapenlelsd land wavessea ice
Karl and Trenberth 2003
New coupled assimilation system (CERA) for the coupled Earth model:
•
atmospheric and ocean observations assimilated simultaneously
• Work is ongoing on using a higher resolution ocean components (ORCA025z75) planned for end of 2016 in the Ensemble forecasts and later in the High resolution system.
reloacxeaatnion increments are
comanpaulytesids in dpyanraamlleiclatloly cocnosrisrteecnttthweith
Conclusions:
• ECMWF has a coupled atmosphere-wave-ocean circulation forecasting system, currently operational in the Ensemble Prediction System.
window that assimilates simultaneously
atmospheric and ocean observations coupled model
computes
SSTobcsoemrvpauttieodn in miNsfEitMsOinanedach aoctmountoesstrpriahtieenrreiacdtiaobnnyd
1
r
p
fu
u2
tan r
vw r
F
曲率项
dw dt
1
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g
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Fr
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(r
1
cos
u
1
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v
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)
0
c
p
dT dt
RT p
dp dt
Q
p RT
d dt
t
u a cos
v a
w
z
t
(V
)
重力不是指向地心，等位势面也不是球面。
模式的分类
非静力学模式
•
ocean observations can impact atmospheric estimate and conversely
•
CERA-20C reanalysis in production (1900-2010)
Coupled assimilation system (CERA)
EDA variational approach with a 24-hour
如何实现目标：
➢ Observations ➢ High resolution ensemble ➢ Earth-system ➢ Scalability ➢ Funding ➢ People
（引自 Erland Källén，“Earth system modelling for seamless prediction” ECMWF
GSM T213 (60km)
MSM(10km)
RSM(20km)
ECMWF 致力于2016-2025 数值预报发展战略：
利用集合预报方法提前2周预报高影响天 气事件
提前4周，无缝隙地预报大尺度系统形势 和系统移动
提前1年预测全球范围的异常状况
研究和更丰富的知识 基于集合预报的分析和预报技术
Turbulent energy
Stokes drift Stress
Currents Sea surface temperature
Towards a coupled system
All configurations Ensemble FC future operational
Single executab
TCo1279/TCo639Towards a fully coupled system (currently only operational in
9km/18km
EPS)
Every
All configurations Ensemble FC
IFS
Single executab
time step 14km/28km
In reality, IFS/WAM coupling every IFS time step, but
14 Call to NEMO every hour (or 3 hours) with averaged accumulated fluxes.
Impact of Resolution on tropical cyclone forecast
Roughness Air density
Gustiness
Turbulent energy
Stokes drift Stress
Currents
Sea surface temperature
TCo91k2m7/91/8TkCmo6T3ow9ards a coupled system
All configurations Ensemble FC
差分方法：就是在离散的网格点上，以差 商代替微商，求解微分方程的方法。
有限差分
谱方法
关于有限差分与谱方法的图例
混淆误差
采样值
|
|
|
n-1 n n+1
从物理上考虑，差分的精度还与采样点密—即网格，与要 素在采样区的变化分布有关。即采样数据是否能有代表性
。
离散网格所能表示的最短波长 上表中当L/ x =2时，即两倍格距波，R=0，误差 100%，因此，离散网柜完全不能表示两倍格距以下的 短波。如格距为100km，则你只能预报出200km以上的 天气系统。
式；承载数值模式计算、显示和通讯平台 驾驭观测、资料分析和数值模式发展和应 用的人才队伍
水圈
大气圈 人类圈
岩石圈
冰晶圈 /冰冻圈
生物圈
纷繁多样数值预报 产品
-什么会有差别？
分辨率不同
模式的表述的物理过程有差异
计算方案、网格、变量分布等
再分析资料分析的初值能代表大气实况吗 ？
Orography and Resolutions
滞弹性模式
滞弹性模式 u v w 0
x y z
弹性模式
准可压模式 u v w 0
t x y z
完全可压模式 u v w 0 t x y z
数值计算方案
大气运动方程组是一套复杂的非线性 方程组，目前，还没有理论解存在，只能 借助数值方法求解。
数值方法有很多，目前气象上用的主要用 的是差分方法、谱方法、有限元法等。
yphoon Haiyan: forecasts from 4th, 5th and 6th Nove all from operational analysis.
min MSLP (9h5P0a)
900
Typhoon Haiyan at
Black: estimated from peak intensity on November 7, 2013 observations
最短的波1.，5倍2倍格格距距波波
3倍格距波
1.5倍格距波被当成3倍格距的波 混淆误差会把小于2倍格距的波歪曲为2倍格距以上的波。
因此混淆误差主要集中在2~4倍格距间。 预报员会在什么情况下遇到“混淆误差”？
拉格朗日和半拉格朗日方法
拉格朗日和半拉格朗日方法是从另外一个角度来求取平流
方c程的u解c。 0
• There is a clear benefit in coupling the different models, but it creates new challenges in determining what physical parameters need to be exchanged.
Black: estimated from observations
Green: old operational HRES
Climate reanalyses for the coupled earth model
ECMWF coupled Earth model for medium-range weather forecasting
Red: old operational Ensemble
Impact of Coupling on tropical cyclone forecast
ce Typhoon Neoguri: forecasts from 6 July 2014, 0 U
min MSLP (9h5P0a)
900
Neoguri affecting Okinawa on July 8, 2014
静力学模式
du 1 p DIF u
dt x
dv 1 p DIF v
dt y
dw 1 p g DIF w
dt z
p RT
u v w 0
t x y z
d Q DIF
dt C pR源自p p0CpT
1 p g 0
z
静力学平衡：运动的垂直尺 度远小于水平尺度的情况下
Adding activIempslema eincteatimono:
End 2016.
ORCA0.25°_Z7
Calling sequence of the single executable
Simplified flow chart of the coupled model, here two time steps are shown.
ECMWF 数值预报模 式简介
气象预报的四个方面问题
当前的天气或气候信息—完备的综合观测系统 完善的观测系统；资料信息识别；资料的综合处理（同化）
天气或气候的演变规律—从资料得到新认识 从资料得到新认识；反映大气运动数学物理规律的微分方程
组。
外力和强迫的变化—地形和边界强迫；太阳常数；引力等 从已知预报未来的手段—完备的数值模
Every coupling time step (1 or 3 hours)
Ensemble systems only: - Medium range forecast
- Monthly forecast - Seasonal forecast
ORCA1_Z42
Solar and non solar fluxes, E-P
• Furthermore, model parameterisations might need revisiting.
EC模式动力框架 垂直采用η坐标，U=ucos θ ；V=vcosθ
对比球坐标系中的基本方程组
du dt
1
r cos
p
fv
f~w
uv
tan
r
uw r
F
dv dt
Orographic effects are better captured by higher resolution models. The surface parameters such as Tsurf might be predicted more realistically by those models.
Future Earth System model and assimilation developments Erland Källén, ECMWF
Solar and non solar fluxes, E-P
Roughness Air density
Gustiness
Currents Sea surface temperature
成立
基于连续方程的模式分类
非静力学模式根据模式中是否包含声波，分为： 滞（非）弹性（anelastic)模式
假定大气不可压，滤掉声波
弹性(elastic)模式
大气可压、由散度预报气压的变 化，但声波
需要特殊的处理
根据连续方程的近似程度，
滞弹性和弹性模式又可进
行不同的分类：
不可压缩模式
u v w 0 x y z
from day 0 since 2013
ORCA1_Z42
Solar and non solar fluxes, E-P
Roughness Air density
Gustiness
Ice concentration
Ice concentration
atmECoEMsapWrthhFeromcecooeudapenlelsd land wavessea ice
Karl and Trenberth 2003
New coupled assimilation system (CERA) for the coupled Earth model:
•
atmospheric and ocean observations assimilated simultaneously
• Work is ongoing on using a higher resolution ocean components (ORCA025z75) planned for end of 2016 in the Ensemble forecasts and later in the High resolution system.
reloacxeaatnion increments are
comanpaulytesids in dpyanraamlleiclatloly cocnosrisrteecnttthweith
Conclusions:
• ECMWF has a coupled atmosphere-wave-ocean circulation forecasting system, currently operational in the Ensemble Prediction System.
window that assimilates simultaneously
atmospheric and ocean observations coupled model
computes
SSTobcsoemrvpauttieodn in miNsfEitMsOinanedach aoctmountoesstrpriahtieenrreiacdtiaobnnyd
1
r
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u2
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F
曲率项
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1
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1
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(V
)
重力不是指向地心，等位势面也不是球面。
模式的分类
非静力学模式
•
ocean observations can impact atmospheric estimate and conversely
•
CERA-20C reanalysis in production (1900-2010)
Coupled assimilation system (CERA)
EDA variational approach with a 24-hour
如何实现目标：
➢ Observations ➢ High resolution ensemble ➢ Earth-system ➢ Scalability ➢ Funding ➢ People
（引自 Erland Källén，“Earth system modelling for seamless prediction” ECMWF
GSM T213 (60km)
MSM(10km)
RSM(20km)
ECMWF 致力于2016-2025 数值预报发展战略：
利用集合预报方法提前2周预报高影响天 气事件
提前4周，无缝隙地预报大尺度系统形势 和系统移动
提前1年预测全球范围的异常状况
研究和更丰富的知识 基于集合预报的分析和预报技术
Turbulent energy
Stokes drift Stress
Currents Sea surface temperature
Towards a coupled system
All configurations Ensemble FC future operational
Single executab
TCo1279/TCo639Towards a fully coupled system (currently only operational in
9km/18km
EPS)
Every
All configurations Ensemble FC
IFS
Single executab
time step 14km/28km
In reality, IFS/WAM coupling every IFS time step, but
14 Call to NEMO every hour (or 3 hours) with averaged accumulated fluxes.
Impact of Resolution on tropical cyclone forecast
Roughness Air density
Gustiness
Turbulent energy
Stokes drift Stress
Currents
Sea surface temperature
TCo91k2m7/91/8TkCmo6T3ow9ards a coupled system
All configurations Ensemble FC
差分方法：就是在离散的网格点上，以差 商代替微商，求解微分方程的方法。
有限差分
谱方法
关于有限差分与谱方法的图例
混淆误差
采样值
|
|
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n-1 n n+1
从物理上考虑，差分的精度还与采样点密—即网格，与要 素在采样区的变化分布有关。即采样数据是否能有代表性
。
离散网格所能表示的最短波长 上表中当L/ x =2时，即两倍格距波，R=0，误差 100%，因此，离散网柜完全不能表示两倍格距以下的 短波。如格距为100km，则你只能预报出200km以上的 天气系统。
式；承载数值模式计算、显示和通讯平台 驾驭观测、资料分析和数值模式发展和应 用的人才队伍
水圈
大气圈 人类圈
岩石圈
冰晶圈 /冰冻圈
生物圈
纷繁多样数值预报 产品
-什么会有差别？
分辨率不同
模式的表述的物理过程有差异
计算方案、网格、变量分布等
再分析资料分析的初值能代表大气实况吗 ？
Orography and Resolutions
滞弹性模式
滞弹性模式 u v w 0
x y z
弹性模式
准可压模式 u v w 0
t x y z
完全可压模式 u v w 0 t x y z
数值计算方案
大气运动方程组是一套复杂的非线性 方程组，目前，还没有理论解存在，只能 借助数值方法求解。
数值方法有很多，目前气象上用的主要用 的是差分方法、谱方法、有限元法等。
yphoon Haiyan: forecasts from 4th, 5th and 6th Nove all from operational analysis.
min MSLP (9h5P0a)
900
Typhoon Haiyan at
Black: estimated from peak intensity on November 7, 2013 observations
最短的波1.，5倍2倍格格距距波波
3倍格距波
1.5倍格距波被当成3倍格距的波 混淆误差会把小于2倍格距的波歪曲为2倍格距以上的波。
因此混淆误差主要集中在2~4倍格距间。 预报员会在什么情况下遇到“混淆误差”？
拉格朗日和半拉格朗日方法
拉格朗日和半拉格朗日方法是从另外一个角度来求取平流
方c程的u解c。 0
• There is a clear benefit in coupling the different models, but it creates new challenges in determining what physical parameters need to be exchanged.
Black: estimated from observations
Green: old operational HRES
Climate reanalyses for the coupled earth model
ECMWF coupled Earth model for medium-range weather forecasting
Red: old operational Ensemble
Impact of Coupling on tropical cyclone forecast
ce Typhoon Neoguri: forecasts from 6 July 2014, 0 U
min MSLP (9h5P0a)
900
Neoguri affecting Okinawa on July 8, 2014
静力学模式
du 1 p DIF u
dt x
dv 1 p DIF v
dt y
dw 1 p g DIF w
dt z
p RT
u v w 0
t x y z
d Q DIF
dt C pR源自p p0CpT
1 p g 0
z
静力学平衡：运动的垂直尺 度远小于水平尺度的情况下
Adding activIempslema eincteatimono:
End 2016.
ORCA0.25°_Z7
Calling sequence of the single executable
Simplified flow chart of the coupled model, here two time steps are shown.
ECMWF 数值预报模 式简介
气象预报的四个方面问题
当前的天气或气候信息—完备的综合观测系统 完善的观测系统；资料信息识别；资料的综合处理（同化）
天气或气候的演变规律—从资料得到新认识 从资料得到新认识；反映大气运动数学物理规律的微分方程
组。
外力和强迫的变化—地形和边界强迫；太阳常数；引力等 从已知预报未来的手段—完备的数值模
Every coupling time step (1 or 3 hours)
Ensemble systems only: - Medium range forecast
- Monthly forecast - Seasonal forecast
ORCA1_Z42
Solar and non solar fluxes, E-P
• Furthermore, model parameterisations might need revisiting.
EC模式动力框架 垂直采用η坐标，U=ucos θ ；V=vcosθ
对比球坐标系中的基本方程组
du dt
1
r cos
p
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f~w
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Orographic effects are better captured by higher resolution models. The surface parameters such as Tsurf might be predicted more realistically by those models.
Future Earth System model and assimilation developments Erland Källén, ECMWF
Solar and non solar fluxes, E-P
Roughness Air density
Gustiness
Currents Sea surface temperature
成立
基于连续方程的模式分类
非静力学模式根据模式中是否包含声波，分为： 滞（非）弹性（anelastic)模式
假定大气不可压，滤掉声波
弹性(elastic)模式
大气可压、由散度预报气压的变 化，但声波
需要特殊的处理
根据连续方程的近似程度，
滞弹性和弹性模式又可进
行不同的分类：
不可压缩模式
u v w 0 x y z