《数值天气预报》全册完整教学课件.pptx

《数值天气预报》全册完整教学课件《数值天气预报》介绍OUTLINE大气科学，要干什么什么是数值天气预报，包括哪些内容？数值预报的历史数值预报的发展趋势数值预报的应用一 大气科学，要干 什么？大气演变过程的复杂性非线性多尺度多圈层相变（跃变）多种强迫和反馈动力、物理和化学综合大气科学的精髓是： 要掌握在地球系统多圈层相互作用影响下大气的动力、物理和化学的演变规律，依据已知的信息，预知大气未来的演变过程和状态。地球系统圈层结构气象工作者的主要使命是： 希望能准确告诉人们未来的大气状态。但气象问题的复杂性使得人们无法通过自身大脑的直接思维去准确掌握大气的演变趋势，也没有一个科学家能以理论方式直接求解数学物理方程得到大气未来的状态，也难于直接通过物理实验来客观地认识大气的演变规律。气象预报的两个中心： 一是天气预报，二是气候预报气象预报的四个基本条件：当前的天气或气候信息—完备的综合观测系统天气或气候的演变规律—从资料得到新认识外力和强迫的变化—地形和边界强迫；太阳常数；引力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天气是： 经常不断变化着的大气状态，既是一定时间和空间内的大气状态，也是大气状态在一定时间间隔内的连续变化。天气现象： 指发生在大气中发生的各种自然现象，即某瞬时内大气中各种气象要素（如/view/17988.htm风、/view/24937.htm云、/view/10616.htm雾、/view/27432.htm雨、/view/2805.htm雪、/view/23803.htm霜、/view/40578.htm雷、/view/40038.htm雹等）空间分布的综合表现。天气过程： 一定地区的天气现象随时间的变化过程。 气候是： 长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通常由某一时期的平均值和离差值表征。 　对不同的对象，预报的内容和侧重点是有区别的：天气、气候现象都是地球大气运动的结果。天气现象更侧重于描述短期内大气具体的演变过程而气候现象主要是指长期、代表大气各种指标平均值的变化过程。 不同对象的数值预报所使用的技术方案与预报产品都有很大区别，例如一般的数值天气预报关注并预报具体的天气过程与气象要素的演变，而短期气候模式预测则关注、预报月与季节尺度的冷暖、旱涝趋势而不是具体的天气过程。 天气和气候模式研究的区别研究对象：单一大气 ? 耦合系统关注目标：瞬时结果 ? 平均状态关键变量：降水 ? 温度关注内容：演变过程 ? 能量收支 精度 稳定和守恒水汽过程：凝结降水 ? 云辐射强迫 云辐射反馈决定因素：初值 ? 强迫和反馈同化 物理和化学规律 大气并没有向我们展现出类似潮汐变化那种类型的周期性，因此我们无法采用像潮汐预报那样的方法来预报天气。我们没有发现大气在某一特定时刻的状态与另一时刻的状态之间存在一系列简单的因果关系。《运用数值方法的天气预报》， 1951, Charney（1917-1981）数值天气预报的巨匠之一天气预报的历史1820年，世界上诞生了第一张天气图。1855年，法国人莱伐尔用天气图追索克里米亚战争时出现的风暴。1860年，英国人弗兹罗用电话收集天气报告，绘成天气图。第一次世界大战时,地面天气图已成为天气预报的工具。二战以后，随着高空探测的增多和世界高空探测站的逐渐加密，天气分析从二维扩展为三维。天气预报的演进地面观测初始时期极锋学说应用时期探空发展时期斜压理论发展时期卫星观测初始时期气象雷达推广应用时期动力数值天气预报应用时期动力统计预报应用时期人工智能系统应用时期二 什么是数值天气预报? 现代气象学的研究（探测基础上）已把大量的物理、化学定律引入到对天气系统各种演化过程的描述上来。因此，现在我们可以用一套微分方程组来表示大气的运动和变化（数学模型）（质量守恒、能量守恒、动量守恒和水汽守恒）。 20 世纪,在世界(国际) 气象组织的组织推动下,世界各国开展广泛合作,逐步建立了遍布全球的气象观测站网,人们根据观测资料分析绘制过去时刻天气变化的天气图,并以此为基础发展了天气学(定性) 预报方法以及结合数理统计学的统计天气预报方法。但是,由于这些方法并未反映大气内部的运动变化规律,所以其预报水平的提高受到很大的限制。因此,要进一步提高天气预报准确率,必须从大气内部的物理规律(大气动力学、热力学、质量守恒、水相变化规律等) 出发,建立数学物理模型,用数学物理的方法,并借助巨型计算机技术,预测未来天气的变化,这就是我们常说的“数值天气预报”。理解“数值”二字将支配大气运动的偏微分方程，以观测值为初始条件，利用计算机的数值解法(时间积分)求得的理论预