第6章物理过程参数化和同化问题案例.ppt

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* Big gaps without data over Africa. * * * * * * 这样的强降水在缺乏有效预警的情况下造成了巨大损失。显然,实现这类天气的准确预报是我们国家的重大需求。 * 当天,卫星云图显示,从安徽北部到山东半岛有一连串强对流快速形成发展。这些强对流和北边的云系一起组成范围上千公里的所谓α中尺度降水系统。 这天最强的降水发生在山东半岛东端一个很小的区域。PRESS该小区域的雷达观测显示有多个直径只有一二十公里的强回波区,我们称之为γ中尺度对流单体。这些对流单体在一起又组织成β中尺度对流系统。这些γ中尺度对流单体不断地穿过乳山市,PRESS造成了短短3小时内300多mm的降水! * 通过这些研究,科学家们对本国的强对流天气的形成机理取得了较好的认识,美国现已建立全国范围分辨率高达一公里的实时试验预报系统,初步建立了强对流天气的精细化预报能力。这里是CAPS完成的分辨率为1km的实时预报的一个例子。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * YSU和ACM2是非局地,Boulac和MYJ是局地 * * * * * * * * * 一、数值预报中的初始化问题: 采用原始方程模式作预报时,直接采用未经任何处理的观测值或分析值作为模式的初始场,容易导致高频振荡,产生计算不稳定: 第一、观测或分析资料的误差导致风场和气压场的不平衡; 第二、初始资料和数值模式之间的不平衡。 因此,需要对模式的初值进行处理,即模式资料的“初始化”。 问题的提出: 模式初始化的常用方法: ①静力初始化 ②动力初始化 ③变分初始化 ①静力初始化 又称静处理,是指用一些已知的风压场平衡关系,或用运动方程等求得的诊断方程来处理初值,使风场同气压场平衡或近似平衡的方法。 地转风初值 平衡风初值 考虑辐散的初始风场 ②动力初始化 又称动处理,这种方法是借助于原始方程模式本身所具有的动力特性,经过一些合理的步骤,使重力惯性波阻尼或被滤去,而得到接近平衡的初值。 动处理的具体方法包括动力恢复法和正规波法等。 ③变分初始化 它既可以用于静处理,也可以用于动处理。 该方法是通过变分原理,使初始资料在一定动力约束下调整,达到各种初始场之间协调一致的方法。 ①静力初始化:简单、计算量小,但效果一般; ②动力初始化:自动调整、有效滤除重力波高频部分、 计算量较大,非线性的处理不一定收敛 ③变分初始化:物理意义清楚,结果好坏依赖于动力 约束优劣。简单约束:求解方便;复杂 约束:数学解存在较多问题。 常用方法评价: 一般初始化方法存在的问题 消除虚假的重力波对计算稳定性有好处,但可能也把重力波真实部分消除了——数值预报的系统强度往往偏弱。 上述方法都是让风压场达到平衡或近似平衡,以消除虚假重力波,从而消除其带来的计算不稳定。 天气的发展演变和环流形式的剧烈变化,都是和风压场的不平衡激发出的重力惯性波有关,由于重力惯性波的存在,过分集中的不平衡能量能得到迅速释放,使风压场重新调整适应。 如何使用不平衡初值以提高数值预报的准确率,是研究和业务中重点关注的问题之一。 二、数值预报中的边界条件问题: 数值模式需要给定边界条件: 水平侧边界条件 垂直边界条件 2、法向速度为零的边界条件(刚体边界) 3、海绵边界条件(过渡带:外侧固定,里侧为计算值) 4、外推边界条件 常用的水平侧边界条件包括: 1、固定的边界条件(预报量不随时间变化) 大气科学学院闵锦忠 三、嵌套网格边界处理问题 单向嵌套: 先计算粗网格,粗网格为细网格提供边界; 然后再计算细网格。 双向嵌套: 先计算粗网格,粗网格为细网格提供边界; 计算细网格;在边界交界处,将细网格结果反馈给粗网格。 二、数值预报中的资料同化问题: L.F. Richardson (1922) Weather Prediction by Numerical Process, Cambridge University Press 英国数学家Richardson(1922)--数值预报尝试 二、数值预报中的资料同化问题: The major reasons for the failure of Richardson’s forecast: 观测站网的密度和资料的精确度不够; 用的是完全的原始方程组; 所取的时间和空间的间隔不合适,使计算出现不稳定 数值预报的不确定性 数值预报的 不确定性 大气本身的 混沌特性 初值误差 模式误差 二、数值预报中的资料同化问题: 如何最有效地利

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