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大气圈水圈冰晶圈/冰冻圈生物圈岩石圈人类圈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？GSMT213(60km)RSM(20km)MSM(10km)Orographiceffectsarebettercapturedbyhigherresolutionmodels.ThesurfaceparameterssuchasTsurfmightbepredictedmorerealisticallybythosemodels.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如何实现目标：ObservationsHighresolutionensembleEarth-systemScalabilityFundingPeople（引自ErlandKällén，“Earthsystemmodellingforseamlessprediction”ECMWFAnnualSeminar2016）AirdensityGustinessRoughnessCurrentsSeasurfacetemperatureAllconfigurationsEnsembleFCSolarandnonsolarfluxes,E-PTowardsafullycoupledsystem(currentlyonlyoperationalinEPS)ORCA1_Z42TCo1279/TCo63914km/28km9km/18kmEnsemblesystemsonly:-Mediumrangeforecast-Monthlyforecast-SeasonalforecastEveryIFStimestepEverycouplingtimestep(1or3hours)SingleexecutableAirdensityGustinessRoughnessTurbulentenergyStokesdriftCurrentsSeasurfacetemperatureAllconfigurationsStressEnsembleFCSolarandnonsolarfluxes,E-PTowardsacoupledsystemORCA1_Z42TCo1279/TCo63914km/28km9km/18kmSingleexecutableOperationalfromday0since2013IceconcentrationAirdensityGustinessRoughnessTurbulentenergyStokesdriftCurrentsSeasurfacetemperatureIceconcentrationAllconfigurationsStressEnsembleFCfutureoperationalSolarandnonsolarfluxes,E-PTowardsacoupledsystemORCA0.25°_Z75AddingactiveseaicemodelImplementation:End2016.Singleexecutable*14Simplifiedflowchartofthecoupledmodel,heretwotimestepsareshown.Inreality,IFS/WAMcouplingeveryIFStimestep,butCalltoNEMOeveryhour(or3hours)withaveragedaccumulatedfluxes.ImpactofResolutionontropicalcycloneforecastForinstanceTyphoonHaiyan:forecastsfrom4th,5thand6thNovember2013,0UTCallfromoperationalanalysis.Black:estimatedfromobservationsRed:oldoperationalEnsembleresolution(32km)Blue:oldoperationalHRESconfiguration(16km)Green:experimental:newHRESconfiguration(10km)minMSLP(hPa)900950TyphoonHaiyanatpeakintensityonNovember7,2013ImpactofCouplingontropicalcycloneforecastForinstanceTyphoonNeoguri:forecastsfrom6July2014,0UTCBlack:estimatedfromobservationsGreen:oldoperationalHRESconfiguration(uncoupled)(16km)Red:experimental:16kmcoupledtoNEMO(ORCA025_Z75)Blue:16kmcoupledtoNEMO+newphysicsminMSLP(hPa)900950NeoguriaffectingOkinawaonJuly8,2014*ClimatereanalysesforthecoupledearthmodelECMWFcoupledEarthmodelformedium-rangeweatherforecastingNewcoupledassimilationsystem(CERA)forthecoupledEarthmodel:•atmosphericandoceanobservationsassimilatedsimultaneously•oceanobservationscanimpactatmosphericestimateandconversely•CERA-20Creanalysisinproduction(1900-2010)KarlandTrenberth2003landwavesseaiceatmosphereoceansECMWFcoupledEarthmodelCoupledassimilationsystem(CERA)EDAvariationalapproachwitha24-hourwindowthatassimilatessimultaneouslyatmosphericandoceanobservationscoupledmodelcomputesobservationmisfitsineachouteriterationatmosphericandoceanincrementsarecomputedinparalleltocorrecttheinitialstateSSTcomputedinNEMOandconstrainedbyrelaxationanalysisdynamicallyconsistentwithrespecttothecoupledmodelConclusions:•ECMWFhasacoupledatmosphere-wave-oceancirculationforecastingsystem,currentlyoperationalintheEnsemblePredictionSystem.•Workisongoingonusingahigherresolutionoceancomponents(ORCA025z75)plannedforendof2016intheEnsembleforecastsandlaterintheHighresolutionsystem.•Thereisaclearbenefitincouplingthedifferentmodels,butitcreatesnewchallengesindeterminingwhatphysicalparametersneedtobeexchanged.•Furthermore,modelparameterisationsmightneedrevisiting.EC模式动力框架垂直采用η坐标，U=ucosθ；V=vcosθ)(cos0)1cos1(~1tan1tan~cos122222VtzwavautdtdRTpQdtdppRTdtdTcrrwrvrurdtdFrvugufrpdtdwFrvwrufuprdtdvFruwruvwffvprdtdupr曲率项重力不是指向地心，等位势面也不是球面。非静力学模式静力学模式DIFCQdtdzwyvxutRTpwDIFgzpdtdwvDIFypdtdvuDIFxpdtdup0111TpppCR001gzp静力学平衡：运动的垂直尺度远小于水平尺度的情况下成立模式的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：滞弹性模式不可压缩模式滞弹性模式弹性模式准可压模式完全可压模式0zwyvxu0zwyvxu0zwyvxut0zwyvxut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。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|||n-1nn+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。采样值混淆误差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。1.5倍格距波3倍格距波最短的波，2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0u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程的解。有解析解：不失一般性，考虑情况下平流方程的解。可以证明下述两个式子是成立的：),())1(()(),(100niiinittuxctnutuxctunxctxc拉格朗日方法的基础),()())1((),(001niiinittuxctuntuxctnuxctxc半拉格朗日方法的基础Thinkofmeasuringthetemperature:Lagrangian:inaballoon,floatingwiththewindEulerian:ontheground,windblowspa