数值天气预报实习报告-正压原始方程
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数值天气预报
正压原始方程
实
习
报
告
正压原始方程实习
1.实习目的与要求
通过正压原始方程模式的实习,加深理解该章所学的基本内容;掌握当今制作数值天气预报的一般方法和主要步骤;并在数值计算、编制程序和上机操作等方面得到进一步训练。以1973年4月29日08时(北京时)我国东北、华北地区500hPa等压面位势高度场及地转风场作为初值,采用固定的水平侧边界条件,应用正压原始方程二次守恒平流格式的模式,制作未来24小时有限区域500hPa位势高度场和风场的预报,并写一份实习报告。
2.正压原始方程模式
简介:
在原始方程模式中既包含有缓慢移动的大气长波,又有快速移动的重力惯性波。因此,这种模式不但可以模拟准地转演变过程,而且还可以模拟地转适应过程。虽然此模式比准地转模式能更好的描述实际大气中的物理过程,但是在这种模式的数值积分中也出现了一些新的亟待解决的问题。
①原始方程模式中包含有快波解,为保证计算稳定,时间步长必须取得很短,这就大大增加了计算工作量。因此,选取既能保证计算稳定、又能节省计算机时的时间积分方案,便成为一个很重
要的问题。
②由于原始方程模式中时间步长必须取得很短,所以非线性计算不稳定的问题就显得尤为突出。因此,构造性能良好的空间差分格式也就成为一个很重要的问题。
③原始方程模式要求给出多个初始条件。除了要给出初始气压场(位势高度场)外,还必须给出初始风场等资料,如果初始风压场不协调,则在积分过程中就会产生虚假的重力惯性波。这种虚假的重力惯性波会迅速增长,把天气尺度的波动掩盖掉,使预报遭到破坏。因此,资料的初始化也是一个相当重要的问题。
④原始方程模式对边界条件也尤为敏感,要求给出适当的边界条件也很重要。
基本假定:
a.大气是均匀不可压流体
b.大气处于静力平衡状态
c.上边界为自由面
d.无摩擦和绝热过程
e.正压大气
基本方程:
地转风公式:
技术方法:
1.为了减小模式中重力惯性外波的波速,增加差分格式的计算稳定性,把连续方程中水平散
度项的系数z改为(z- z0),并取250dagpm。
2.时间积分方案选择:先采用欧拉-后差格式数值积分1小时,然后采用三步法起步的时间中
央差格式数值积分11小时。
3.边界采用9点空间平滑,积分12h后采用5点平滑对个要素场进行内点空间滤波。
五点平滑公式为:
4.为了阻尼高频振荡、抑制计算解的增长,在积分6小时之后的两个连续时间层应用时间平
滑公式对个要素进行时间平滑。
5.应用二次平流守恒格式的正压原始方程模式。
计算流程:
3.程序如下
A.地转风:
subroutine cgw(ua,va,za,rm,f,d,m,n)
dimension ua(m,n),va(m,n),za(m,n),rm(m,n),f(m,n)
do i=2,m-1
do j=2,n-1
ua(i,j)=(-1)*rm(i,j)*9.8*(za(i,j+1)-za(i,j-1))/2/d/f(i,j)
va(i,j)=rm(i,j)*9.8*(za(i+1,j)-za(i-1,j))/2/d/f(i,j)
enddo
enddo
return
end
B.5点平滑:
subroutine ssip(a,w,s,m,n,k,l)
dimension a(m,n),w(m,n)
if(l==1)then
do i=2,m-1
do j=2,n-1
w(i,j)=a(i,j)+s*(a(i-1,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j))/4.0
enddo
enddo
do i=2,m-1
do j=2,n-1
a(i,j)=w(i,j)
enddo
enddo
return
else
do i=2,m-1
do j=2,n-1
w(i,j)=a(i,j)+s*(a(i-1,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j))/4.0
enddo
enddo
do i=2,m-1
do j=2,n-1
a(i,j)=w(i,j)
enddo
enddo
do i=2,m-1
do j=2,n-1 w(i,j)=a(i,j)+(-s)*(a(i-1,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j))/4.0 enddo
enddo
do i=2,m-1
do j=2,n-1
a(i,j)=w(i,j)
enddo
enddo
endif
return
end
6.根据得到的数据文件画出的高度场与风场
图一.原始高度场
图二.预报高度场
图三.原始风场
图四.预报风场
图五.预报高度场与风矢量场合成
上面的图均是500hpa 08时的要素场;
结果分析:
由图一和图二,图三和图四,我们可以清楚的看到:4月29日08时在鄂霍次克海的西岸,有一个大的低压中心,其中心强度达到5250,在贝加尔湖附近有一条大的低压槽;4月30日08时,在预报场上,鄂霍次克海西岸的低压向东移动,到达鄂霍次克海的上空,中心强度达到5200,比29日加强,贝加尔湖的低压槽向南,向东移动。可能造成一次冷空气的南下过程。
我们拿30日的预报场与30日的实况场(书本上)做一下对比,可以看到预报场的低压中心偏北大概偏5个纬距左右,有较大的偏差,模拟效果很不好;但是,贝加尔湖附近的低压槽预报场与实况场非常的近似,故而模拟效果较好。而我们需要做对中国的预报,影响系统主要是贝加尔湖地区的低压槽影响,所以对整个预报来说,还是有很好的参考价值的。
5.小结
通过这次实习,加强了我对于整个正压原始模式的整个计算流程的认识,而且通过这次实习我的编程与分析能力也得到了很大的加强,与此同时,也加深了对数值预报理论的理解和认识。我也了解到数值预报需要处理的一些问题,以及我们需要面对的问题和如何解决这些问题.并且可以知道我们需要在哪些方面服出更多的努力.