數值天氣預報大氣科學學院陳耀登QQ：3545881課程任務數值天氣預報的基礎知識、基本原理和基本方法課程目標理解數值天氣預報的基本原理；掌握數值預報基本操作步驟；為從事數值天氣預報業務、數值預報產品釋用、數值模擬研究等打下基礎；數值天氣預報理論和方法天氣預報的三次躍進（1）地面和高空天氣圖的繪制和應用；

天氣預報從經驗走向定性（2）數值天氣預報的實施；

天氣預報從定性走向定量（3）大氣混沌性：集合預報單一的確定論走向多值概率基于15km粗網格數值模式

預報的經驗推斷“今天下午，本市局部地區有時有雷陣雨”需要定時、定點、定量

的精細化預報山東半島南京北京乳山個例12小時時段強降水預報圖2011年7月25號夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨，民房倒塌1600多間，死亡和失蹤人數逾百人1.1中尺度天氣及重要性衛星云圖江蘇北京α中尺度降水系統(200km-2000km)雷達回波20km2011年7月25日晚08時β中尺度對流系統

（20km-200km）γ中尺度對流單體(2km–20km)乳山站3小時325mm降水1.1中尺度天氣及重要性觀測預報觀測雷達回波高分辨率(1km)實時試驗預報美國國家天氣局強天氣預報研究計劃（WoF)

(Xue等2009)三份重要文件1.中國氣象局《氣象科技創新體系建設指導意見（2014-2020年）》2014.10.302.中國氣象局《國家氣象科技創新工程（2014—2020年）實施方案》2014.10.303.教育部、中國氣象局《關于加強氣象人才

培養工作的指導意見》2015.2.3中國氣象局：2014.10.30《氣象科技創新體系建設指導意見（2014-2020年）》《國家氣象科技創新工程（2014—2020年）實施方案》明確的三個任務：1.高分辨率資料同化與數值天氣模式2.氣象資料質量控制及多源數據融合與再分析3.次季節至季節氣候預測和氣候系統模式一、優化氣象相關專業和人才結構。辦好大氣科學、應用氣象學、大氣物理與大氣環境等學科專業，加強數值天氣預報、大氣探測、公共氣象服務、氣象防災減災等方向的人才培養。支持行業特色高校統籌招生計劃增量與存量，適度擴大大氣科學類專業本科生和研究生招生規模。教育部、中國氣象局《關于加強氣象人才培養工作的指導意見》2015.2.3一個重要事件2015.4.20：教育部、中國氣象局成立“中國氣象人才培養聯盟”氣象領域高等院校（氣象類學院）、科研院所、企業以及國家級氣象業務單位、省（自治區、直轄市）氣象局均可申請加入聯盟。宇如聰：解讀（2015.4.23）氣象教育歷久彌新學科建設與人才培養面臨挑戰：

天氣預報、數值模擬、大氣化學、地球觀測、人工影響天氣等方面仍有不足

主要內容第一章大氣運動的基本方程組

模式的基本方程組(球坐標、局地直角坐標)；方程的垂直坐標變換；

模式的分類。第二章地圖投影坐標系中的基本方程組

地圖投影的基本概念；三種常用的地圖投影方式的基本概念、特點；正交曲線坐標系的基本知識；地圖投影坐標系下的方程：水平坐標變換。第四章準地轉正壓模式第五章正壓原始方程模式第六章斜壓原始方程模式第七章物理過程參數化和初邊界條件第八章數值天氣預報基本問題及展望主要內容第三章數值計算方案差分格式(前差格式、后差格式、中央差格式)；差分格式的基本性質（相容性、穩定性，收斂性）；時間積分格式（時間層，隱式，非隱式）；差分格式的誤差問題（縮小格距或采用較高階的差分格式均能提高計算的精確度）非線性計算穩定性問題（混淆誤差）主要內容第四章正壓原始方程模式正壓原始方程(基本假定)的導出及其積分性質；正壓模式計算穩定性及其判據（空間步長和時間步長的關系）；正壓模式的空間差分格式、時間積分格式；空間濾波和平滑（抑制非線性不穩定）；求解過程（上機實習）。主要內容第五章斜壓原始方程模式斜壓引入的原因；斜壓原始方程的垂直坐標。第六章物理過程參數化和資料同化第七章數值天氣預報基本問題及展望個人簡介（陳耀登）福建沙縣人，博士，副教授。大氣科學學院數值模擬系主任。主要從事氣象數值模擬與資料同化相關工作。2007年畢業于河海大學，獲博士學位；同年到我校大氣科學學院參加工作。一）、引言

1、數值天氣預報中的主要物理過程

2、物理過程參數化的必要性二）、濕熱力過程的參數化（凝結過程）三）、物理過程參數化存在的問題模式物理過程參數化

1分鐘1小時熱對流龍卷等雷暴對流單體城市效應β中尺度梅雨鋒臺風等斜壓波1天1月20m200m2km20km200km2000km10000km龍卷熱對流微β尺度中氣旋大龍卷短重力波微α尺度雷暴對流單體城市效應中γ尺度中尺度對流系統山地湖泊天氣中β尺度組織化雷暴對流單體對流

系統大尺度中尺度2–20km30min–6h時間空間小尺度雷暴3h–1dayγ中尺度20–200km組織化大氣運動是多尺度的數值天氣預報中的主要物理過程1、濕熱力過程（凝結過程）

1）積云對流過程

2）大尺度凝結過程數值天氣預報中的主要物理過程2、邊界層過程（近地面和行星邊界）數值天氣預報中的主要物理過程3、輻射過程4、微物理過程WRFPhysicsRadiation輻射方案Longwave(ra_lw_physics)Shortwave(ra_sw_physics)SurfaceSurfacelayer(sf_sfclay_physics)近地面層方案Land/watersurface(sf_surface_physics)陸面方案PBL(bl_pbl_physics)行星邊界層方案Cumulus(cu_physics)積云對流方案Microphysics(mp_physics)微物理方案

物理過程參數化的必要性次網格過程：由于大氣是一種連續運動的連續介質，不管模式的分辨率如何高，總有一些接近于或小于網格距尺度的運動或過程，無法在模式中確切地反映出來，這種運動過程稱為次網格過程。

次網格尺度物理過程：湍流、對流、凝結和輻射過程都包含有次網格過程。在數值預報中通過采用參數化的方法來考慮這些過程，即用大尺度變量來描述次網格過程對大尺度運動的統計效應。二）、濕熱力過程的參數化（凝結過程）

凝結過程（也是潛熱釋放過程）分為：大尺度上升運動造成:上升慢，范圍廣，鋒面降水積云對流產生：上升快，范圍小，熱帶降水熱力學方程（差分）絕熱運動及溫度的擴散造成的溫度變化國家氣象中心原先使用的LFM模式中的方案水汽凝結產生的非絕熱加熱L為凝結潛熱大尺度水平運動和垂直運動所引起的濕度變化水汽方程水汽收支變化水汽收支變化水汽凝結產生的非絕熱加熱大尺度凝結；對流凝結；對流垂直輸送引起的濕度變化L為凝結潛熱對流凝結

小尺度的積云對流大尺度運動總體影響的關系及相互作用

1）直接法：求解描述兩類不同尺度運動的耦合方程組，直接求解積云尺度運動

2）間接法：用參數方法考慮小尺度運動對大尺度運動的總體影響，而不考慮小尺度運動的細微結構積云對流參數化將模式不能顯式分辨的對流凝結和對流引起的熱量、水分和動量的輸送與模式的預報變量聯系起來。實際做法：用網格點上的變量值來表示次網格尺度積云的凝結加熱以及垂直輸送效應的作用。CumulusParameterization（1）對流什么時候發生？（2）對流發生后產生什么影響？（3）參數的估計（1）對流產生的判別條件：a.條件不穩定：濕靜力能模式條件

積云對流b.水汽輻合：c.低層風速輻合：滿足以上三個條件的格點可根據郭氏方法計算降水量。如果不考慮降落過程液態水的蒸發，氣柱中凝結的水汽就是地面降水量。（2）對流影響的估計：空氣拄的大尺度輻合經驗常數產生對流假如水汽輻合量中有一部分凝結下降，則降水量為：根據霍維邁爾經驗公式未凝結的水汽環境空氣的比濕環境空氣的溫度環境空氣的飽和比濕（2）對流影響的估計：(a)對流凝結加熱率：（3）參數的估計：(b)對流引起水汽垂直輸送，使空氣柱內水汽重新分布，在模式中是直接計算大尺度水汽輻合和對流作用的總效應。令對水汽方程則水汽方程可寫為（3）參數的估計：最后，水汽方程可寫成：直接估計其中：Anthes（1977）未凝結的水汽與各層的飽和差成正比CumulusschemeRecommendationsaboutuseFordx≥10km:probablyneedcumulusschemeFordx≤3km:probablydonotneedschemeHowever,therearecaseswheretheearliertriggeringofconvectionbycumulusschemeshelpFordx=3-10km,scaleseparationisaquestionNoschemesarespecificallydesignedwiththisrangeofscalesinmind三）、邊界層過程（動量、熱量、水汽）邊界層的處理：模式把最低層作為邊界層，采用經驗輸送公式計算湍流動量輸送：湍流粘性應力：邊界層頂：湍流應力＝0地面四）、輻射過程輻射傳輸的基本物理過程：太陽的輻射；地-氣系統輻射；不同地表狀態云、氣溶膠、水汽、臭氧、二氧化碳等對輻射傳輸的影響。

四）、輻射過程輻射傳輸方程：在地球大氣條件下，求解非常復雜，只能在一些假定下求得解析解，因此輻射傳輸方程的求解，一直是大氣輻射學研究的重要內容。一般通過參數化形式進行表達并求解。三）次網格過程參數化存在問題：盡管用參數化方案來描述次網格物理過程的方法已取得了相當好的效果，但仍有許多未解決的問題:1）參數化不能考慮大尺度對小尺度的影響及其反饋作用；2）參數的數值缺乏客觀的確定方法；3）模式對參數化的差異過于敏感等。

中國科學：地球科學，2012，42（12）：1966-1978桑美黑格比BMJKF不同的cuscheme模擬的路徑與CMA的最佳路徑之間的路徑誤差隨時間增大，而且不同的cuscheme模擬的路徑差異也較大。不同的cuscheme模擬的臺風強度相差較大，在24h左右開始出現較大差異，且差異隨時間增大。臺風路徑和強度的模擬對積云對流參數化方案的選擇很敏感；不同個例的最佳方案不同；原因是：不同方案采用了不同的假定，以及對積云降水的處理。中國科學:地球科學,2014,44(3):548-562.邊界層內地表和自由大氣的交換傳輸作用是十分復雜的物理過程

具體問題需具體分析個例分析的結果不具普適性適當選擇邊界層參數化方案對不同研究對象的模擬有重要意義（需要做敏感性實驗分析其原因）高原山地氣象研究，2011，31（2）：18-25熱帶氣象學報，2009，25（4）：435-441熱帶氣象學報，2012，28（4）：461-470一、數值預報中的初值問題：初、邊界條件

In1904,theNorwegianhydrodynamistV.Bjerknessuggestedthat:Theweathercouldbequantitativelypredictedbyapplyingthecompletesetofhydrodynamicandthermodynamicequationstocarefullyanalyzedinitialatmosphericstates.一、數值預報中的初始化問題：采用原始方程模式作預報時，直接采用未經任何處理的觀測值或分析值作為模式的初始場，容易導致高頻振蕩，產生計算不穩定：第一、觀測或分析資料的誤差導致風場和氣壓場的不平衡；第二、初始資料和數值模式之間的不平衡。因此，需要對模式的初值進行處理，即模式資料的“初始化”。問題的提出：模式初始化的常用方法：①靜力初始化②動力初始化③變分初始化①靜力初始化又稱靜處理，是指用一些已知的風壓場平衡關系，或用運動方程等求得的診斷方程來處理初值，使風場同氣壓場平衡或近似平衡的方法。

地轉風初值 平衡風初值 考慮輻散的初始風場②動力初始化 又稱動處理，這種方法是借助于原始方程模式本身所具有的動力特性，經過一些合理的步驟，使重力慣性波阻尼或被濾去，而得到接近平衡的初值。動處理的具體方法包括動力恢復法和正規波法等。③變分初始化 它既可以用于靜處理，也可以用于動處理。該方法是通過變分原理，使初始資料在一定動力約束下調整，達到各種初始場之間協調一致的方法。①靜力初始化：簡單、計算量小，但效果一般；②動力初始化：自動調整、有效濾除重力波高頻部分、

計算量較大，非線性的處理不一定收斂③變分初始化：物理意義清楚，結果好壞依賴于動力

約束優劣。簡單約束：求解方便；復雜

約束：數學解存在較多問題。常用方法評價：一般初始化方法存在的問題消除虛假的重力波對計算穩定性有好處，但可能也把重力波真實部分消除了——數值預報的系統強度往往偏弱。上述方法都是讓風壓場達到平衡或近似平衡，以消除虛假重力波，從而消除其帶來的計算不穩定。天氣的發展演變和環流形式的劇烈變化，都是和風壓場的不平衡激發出的重力慣性波有關，由于重力慣性波的存在，過分集中的不平衡能量能得到迅速釋放，使風壓場重新調整適應。如何使用不平衡初值以提高數值預報的準確率，是研究和業務中重點關注的問題之一。二、數值預報中的邊界條件問題：數值模式需要給定邊界條件：水平側邊界條件垂直邊界條件2、法向速度為零的邊界條件（剛體邊界）3、海綿邊界條件（過渡帶：外側固定，里側為計算值）4、外推邊界條件常用的水平側邊界條件包括：1、固定的邊界條件(預報量不隨時間變化)大氣科學學院閔錦忠三、嵌套網格邊界處理問題單向嵌套：

先計算粗網格，粗網格為細網格提供邊界；

然后再計算細網格。雙向嵌套：先計算粗網格，粗網格為細網格提供邊界；計算細網格；在邊界交界處，將細網格結果反饋給粗網格。二、數值預報中的資料同化問題：L.F.Richardson(1922)WeatherPredictionbyNumericalProcess,CambridgeUniversityPress英國數學家Richardson(1922)--數值預報嘗試二、數值預報中的資料同化問題：ThemajorreasonsforthefailureofRichardson’sforecast:觀測站網的密度和資料的精確度不夠；用的是完全的原始方程組；所取的時間和空間的間隔不合適，使計算出現不穩定數值預報的不確定性

二、數值預報中的資料同化問題：如何最有效地利用各種氣象觀測資料，為數值天氣預報提供一個更好的初始場，是提高數值天氣預報準確性的重要方法。這就是氣象資料同化問題。（初始資料的同化）

在進行數值天氣預報的過程中，我們還能不斷地接收到氣象觀測資料。它們相對初始場而言，代表了某一地點、某一時段內氣象場的實際演變。使用它們來不斷地修正原來的預報結果，對于提高數值天氣預報的質量非常有益。（預報過程中的資料同化）兩類資料同化的方法（初始資料的同化）：預報過程中的資料同化：RemoteSensingObservations我國高空探測網全國120個探空站，每天進行08、20時（北京時）兩次從地面到高空25000米以上高空探測。獲取高空大氣溫度、濕度、氣壓和風向風速資料。其中87個站參加全球資料交換。共有7個探空站為全球GCOS探空站。我國新一代天氣雷達布局計劃布設158部新一代天氣雷達;已經完成了130部建設,并投入業務使用。（不包括臺灣省、香港和澳門特區）四維同化是把不同時刻、不同地區、不同性質的氣象資料，通過統計與動力關系使之在動力與熱力上協調起來，以求得更為合理的初始場；或者用來更新預報值，以得到質量更好的連續天氣分析及預報結果的問題。資料同化（dataassimilation)：

大氣資料同化；海洋資料同化；陸面資料同化多項式法；逐步訂正法；多元最優插值法；變分同化法；集合卡爾曼濾波法客觀分析-起源分析：在天氣預報中專指“實況天氣圖的繪畫”——畫天氣圖。分析是靠手工進行的,不客觀。兩個預報員畫同一張天氣圖,由于學歷不同、經驗不同、動手能力和敬業精神不同,他們會得到很不相同