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陈耀登0陈耀登0陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报大气科学学院陈耀登QQ：3545881陈耀登1陈耀登1陈耀登参数化、初边界条件课程任务数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法课程目标理解数值天气预报的基本原理；掌握数值预报基本操作步骤；为从事数值天气预报业务、数值预报产品释用、数值模拟研究等打下基础；数值天气预报理论和方法陈耀登2陈耀登2陈耀登参数化、初边界条件天气预报的三次跃进（1）地面和高空天气图的绘制和应用；天气预报从经验走向定性（2）数值天气预报的实施；天气预报从定性走向定量（3）大气混沌性：集合预报单一的确定论走向多值概率陈耀登3陈耀登3陈耀登参数化、初边界条件基于15km粗网格数值模式预报的经验推断“今天下午，本市局部地区有时有雷阵雨”需要定时、定点、定量的精细化预报山东半岛南京北京乳山个例12小时时段强降水预报图陈耀登4陈耀登4陈耀登参数化、初边界条件2011年7月25号夜晚，威海乳山市局部突降特大暴雨，民房倒塌1600多间，死亡和失踪人数逾百人1.1中尺度天气及重要性陈耀登5陈耀登5陈耀登参数化、初边界条件卫星云图江苏北京α中尺度降水系统(200km-2000km)雷达回波20km2011年7月25日晚08时β中尺度对流系统（20km-200km）γ中尺度对流单体(2km–20km)乳山站3小时325mm降水1.1中尺度天气及重要性陈耀登6陈耀登6陈耀登参数化、初边界条件观测预报观测雷达回波高分辨率(1km)实时试验预报美国国家天气局强天气预报研究计划（WoF)(Xue等2009)陈耀登7基本问题、历史及展望三份重要文件1.中国气象局《气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）》2014.10.302.中国气象局《国家气象科技创新工程（2014—2020年）实施方案》2014.10.303.教育部、中国气象局《关于加强气象人才培养工作的指导意见》2015.2.3陈耀登8基本问题、历史及展望•中国气象局：2014.10.30•《气象科技创新体系建设指导意见（2014-2020年）》《国家气象科技创新工程（2014—2020年）实施方案》明确的三个任务：1.高分辨率资料同化与数值天气模式2.气象资料质量控制及多源数据融合与再分析3.次季节至季节气候预测和气候系统模式陈耀登9基本问题、历史及展望一、优化气象相关专业和人才结构。办好大气科学、应用气象学、大气物理与大气环境等学科专业，加强数值天气预报、大气探测、公共气象服务、气象防灾减灾等方向的人才培养。支持行业特色高校统筹招生计划增量与存量，适度扩大大气科学类专业本科生和研究生招生规模。教育部、中国气象局《关于加强气象人才培养工作的指导意见》2015.2.3陈耀登10基本问题、历史及展望一个重要事件•2015.4.20：教育部、中国气象局成立“中国气象人才培养联盟”•气象领域高等院校（气象类学院）、科研院所、企业以及国家级气象业务单位、省（自治区、直辖市）气象局均可申请加入联盟。陈耀登11基本问题、历史及展望宇如聪：解读（2015.4.23）•气象教育历久弥新•学科建设与人才培养面临挑战：天气预报、数值模拟、大气化学、地球观测、人工影响天气等方面仍有不足陈耀登12陈耀登12陈耀登参数化、初边界条件主要内容第一章大气运动的基本方程组模式的基本方程组(球坐标、局地直角坐标)；方程的垂直坐标变换；模式的分类。第二章地图投影坐标系中的基本方程组地图投影的基本概念；三种常用的地图投影方式的基本概念、特点；正交曲线坐标系的基本知识；地图投影坐标系下的方程：水平坐标变换。•第四章准地转正压模式•第五章正压原始方程模式•第六章斜压原始方程模式•第七章物理过程参数化和初边界条件•第八章数值天气预报基本问题及展望陈耀登13陈耀登13陈耀登参数化、初边界条件主要内容第三章数值计算方案差分格式(前差格式、后差格式、中央差格式)；差分格式的基本性质（相容性、稳定性，收敛性）；时间积分格式（时间层，隐式，非隐式）；差分格式的误差问题（缩小格距或采用较高阶的差分格式均能提高计算的精确度）非线性计算稳定性问题（混淆误差）陈耀登14陈耀登14陈耀登参数化、初边界条件主要内容第四章正压原始方程模式正压原始方程(基本假定)的导出及其积分性质；正压模式计算稳定性及其判据（空间步长和时间步长的关系）；正压模式的空间差分格式、时间积分格式；空间滤波和平滑（抑制非线性不稳定）；求解过程（上机实习）。陈耀登15陈耀登15陈耀登参数化、初边界条件主要内容第五章斜压原始方程模式斜压引入的原因；斜压原始方程的垂直坐标。第六章物理过程参数化和资料同化第七章数值天气预报基本问题及展望陈耀登16陈耀登16陈耀登参数化、初边界条件个人简介（陈耀登）•福建沙县人，博士，副教授。•大气科学学院数值模拟系主任。•主要从事气象数值模拟与资料同化相关工作。•2007年毕业于河海大学，获博士学位；同年到我校大气科学学院参加工作。陈耀登17陈耀登17陈耀登参数化、初边界条件一）、引言1、数值天气预报中的主要物理过程2、物理过程参数化的必要性二）、湿热力过程的参数化（凝结过程）三）、物理过程参数化存在的问题模式物理过程参数化陈耀登18陈耀登18陈耀登参数化、初边界条件1分钟1小时热对流龙卷等雷暴对流单体城市效应β中尺度梅雨锋台风等斜压波1天1月20m200m2km20km200km2000km10000km雷暴对流单体对流系统大尺度中尺度2–20km30min–6h时间空间小尺度雷暴3h–1dayγ中尺度20–200km大气运动是多尺度的陈耀登19陈耀登19陈耀登参数化、初边界条件陈耀登20陈耀登20陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主要物理过程1、湿热力过程（凝结过程）1）积云对流过程2）大尺度凝结过程陈耀登21陈耀登21陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主要物理过程2、边界层过程（近地面和行星边界）陈耀登22陈耀登22陈耀登参数化、初边界条件数值天气预报中的主要物理过程3、辐射过程4、微物理过程陈耀登23陈耀登23陈耀登参数化、初边界条件WRFPhysics•Radiation辐射方案–Longwave(ra_lw_physics)–Shortwave(ra_sw_physics)•Surface–Surfacelayer(sf_sfclay_physics)近地面层方案–Land/watersurface(sf_surface_physics)陆面方案•PBL(bl_pbl_physics)行星边界层方案•Cumulus(cu_physics)积云对流方案•Microphysics(mp_physics)微物理方案陈耀登24陈耀登24陈耀登参数化、初边界条件物理过程参数化的必要性•次网格过程：由于大气是一种连续运动的连续介质，不管模式的分辨率如何高，总有一些接近于或小于网格距尺度的运动或过程，无法在模式中确切地反映出来，这种运动过程称为次网格过程。陈耀登25陈耀登25陈耀登参数化、初边界条件陈耀登26陈耀登26陈耀登参数化、初边界条件•次网格尺度物理过程：湍流、对流、凝结和辐射过程都包含有次网格过程。在数值预报中通过采用参数化的方法来考虑这些过程，即用大尺度变量来描述次网格过程对大尺度运动的统计效应。陈耀登27陈耀登27陈耀登参数化、初边界条件二）、湿热力过程的参数化（凝结过程）凝结过程（也是潜热释放过程）分为：大尺度上升运动造成:上升慢，范围广，锋面降水积云对流产生：上升快，范围小，热带降水陈耀登28陈耀登28陈耀登参数化、初边界条件热力学方程（差分）绝热运动及温度的扩散造成的温度变化国家气象中心原先使用的LFM模式中的方案水汽凝结产生的非绝热加热L为凝结潜热陈耀登29陈耀登29陈耀登参数化、初边界条件大尺度水平运动和垂直运动所引起的湿度变化水汽方程水汽收支变化陈耀登30陈耀登30陈耀登参数化、初边界条件水汽收支变化水汽凝结产生的非绝热加热大尺度凝结；对流凝结；对流垂直输送引起的湿度变化tqCLCCCFL为凝结潜热陈耀登31陈耀登31陈耀登参数化、初边界条件对流凝结小尺度的积云对流大尺度运动总体影响的关系及相互作用1）直接法：求解描述两类不同尺度运动的耦合方程组，直接求解积云尺度运动2）间接法：用参数方法考虑小尺度运动对大尺度运动的总体影响，而不考虑小尺度运动的细微结构陈耀登32陈耀登32陈耀登参数化、初边界条件积云对流参数化将模式不能显式分辨的对流凝结和对流引起的热量、水分和动量的输送与模式的预报变量联系起来。实际做法：用网格点上的变量值来表示次网格尺度积云的凝结加热以及垂直输送效应的作用。CumulusParameterization陈耀登33陈耀登33陈耀登参数化、初边界条件（1）对流什么时候发生？（2）对流发生后产生什么影响？（3）参数的估计（1）对流产生的判别条件：a.条件不稳定：湿静力能模式条件积云对流陈耀登34陈耀登34陈耀登参数化、初边界条件b.水汽辐合：c.低层风速辐合：满足以上三个条件的格点可根据郭氏方法计算降水量。如果不考虑降落过程液态水的蒸发，气柱中凝结的水汽就是地面降水量。（2）对流影响的估计：空气拄的大尺度辐合经验常数产生对流陈耀登35陈耀登35陈耀登参数化、初边界条件假如水汽辐合量中有一部分凝结下降，则降水量为：根据霍维迈尔经验公式未凝结的水汽环境空气的比湿环境空气的温度环境空气的饱和比湿（2）对流影响的估计：陈耀登36陈耀登36陈耀登参数化、初边界条件(a)对流凝结加热率：（3）参数的估计：陈耀登39陈耀登39陈耀登参数化、初边界条件CumulusschemeRecommendationsaboutuse•Fordx≥10km:probablyneedcumulusscheme•Fordx≤3km:probablydonotneedscheme–However,therearecaseswheretheearliertriggeringofconvectionbycumulusschemeshelp•Fordx=3-10km,scaleseparationisaquestion–Noschemesarespecificallydesignedwiththisrangeofscalesinmind陈耀登40陈耀登40陈耀登参数化、初边界条件三）、边界层过程（动量、热量、水汽）边界层的处理：模式把最低层作为边界层，采用经验输送公式计算湍流动量输送：湍流粘性应力：边界层顶：湍流应力＝0地面陈耀登41陈耀登41陈耀登参数化、初边界条件四）、辐射过程辐射传输的基本物理过程：太阳的辐射；地-气系统辐射；不同地表状态云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响。陈耀登42陈耀登42陈耀登参数化、初边界条件四）、辐射过程辐射传输方程：在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。一般通过参数化形式进行表达并求解。陈耀登43陈耀登43陈耀登参数化、初边界条件三）次网格过程参数化存在问题：尽管用参数化方案来描述次网格物理过程的方法已取得了相当好的效果，但仍有许多未解决的问题:1）参数化不能考虑大尺度对小尺度的影响及其反馈作用；2）参数的数值缺乏客观的确定方法；3）模式对参数化的差异过于敏感等。陈耀登44陈耀登44陈耀登参数化、初边界条件中国科学：地球科学，2012，42（12）：1966-1978陈耀登45陈耀登45陈耀登参数化、初边界条件陈耀登46陈耀登46陈耀登参数化、初边界条件桑美黑格比BMJKF不同的cuscheme模拟的路径与CMA的最佳路径之间的路径误差随时间增大，而且不同的cuscheme模拟的路径差异也较大。陈耀登47陈耀登47陈耀登参数化、初边界条件不同的cuscheme模拟的台风强度相差较大，在24h左右开始出现较大差异，且差异随时间增大。陈耀登48陈耀登48陈耀登参数化、初边界条件台风路径和强度的模拟对积云对流参数化方案的选择很敏感；不同个例的最佳方案不同；原因是：