中小尺度天气动力学及数值模拟教学进度表-new
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中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟及其进展中尺度大气数值模拟是指对中尺度大气运动、湍流、边界层、云微物理、辐射传输等过程进行数值模拟的一种方法。
近年来,随着计算机技术的快速发展和观测技术的不断进步,中尺度大气数值模拟的研究已经取得了许多重要的进展,对于气象预报、气候变化研究和环境污染预测等方面都起到了重要的作用。
中尺度大气数值模拟的目标是通过计算空间和时间上的大量物理量,来模拟和预测中尺度大气运动过程。
中尺度大气运动是指介于大尺度天气系统和小尺度湍流系统之间的系统,其典型特征是空间尺度在几十公里到几百公里之间,时间尺度在几分钟到几小时之间。
中尺度大气运动包括了许多重要的现象,如大气锋面、对流云团、飑线等,对于气象预报和气候变化研究具有重要的意义。
中尺度大气数值模拟的基本原理是通过数值方法将大气方程离散化,并通过数值解算得到大气运动的演化过程。
其中,最常用的模型是基于Navier-Stokes方程的大气动力学模型,通过有限差分、谱方法等数值技术对方程进行求解。
此外,为了更好地模拟大气过程,中尺度大气数值模拟还必须考虑到湍流的影响,湍流参数化是其中的关键技术之一。
近年来,随着计算机技术的不断进步,中尺度大气数值模拟的能力也得到了极大的提高。
传统的数值模拟方法需要通过将整个大气划分成若干个网格,然后分别对每个网格进行计算,这种方法在计算量和存储空间上都有较大的挑战。
为了克服这些问题,新型的数值模拟方法应运而生,如有限元方法、有限体积方法和伪谱法等。
这些方法可以更好地处理复杂的地形、不均匀的边界条件和非线性问题,提高了数值模拟的计算效率和精度。
除了数值方法的发展,观测技术的进步也为中尺度大气数值模拟提供了更多的观测数据,从而提高了数值模拟的准确性和可靠性。
现代大气观测技术,如雷达、卫星和飞机观测等,可以提供高时空分辨率的大气观测数据,在验证和改进数值模拟模型方面发挥重要作用。
此外,数据同化技术的应用也为中尺度大气数值模拟提供了新的思路和方法,通过将观测数据与数值模拟结果进行融合,可以进一步提高数值模拟的准确性和预报能力。
第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学:水平尺度: 10-1000km对象:中尺度环流系统内容:中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义:①许多灾害性天气(如暴雨、大风、冰雹、龙卷等)都是由中小尺度系统造成的。
②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。
(长期>10天,中期3-10天,短期1-3天,甚短期0-12h,临近0-2h)③中尺度环流系统是大气环流重要成员(大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分:(一)经验分类法(经典方法)小尺度系统(雷暴、龙卷)和大尺度系统(锋面、气旋)中尺度系统(飑线、中气旋等)(二)动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。
Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力)(三)实用(几何)分类3、中尺度大气运动的基本特征(1)尺度:水平尺度在2-2000km之间,时间尺度在几十分钟至几天之间。
范围很宽。
性质不同。
(2)散度、涡度、垂直速度:取V~10m/s,H~10km,对α,β,γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s,垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。
(3)地转偏向力和浮力的作用:中尺度运动中,地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。
大尺度运动:地转偏向力重要,浮力可略小尺度运动:浮力重要,地转偏向力可略中尺度运动:地转偏向力和浮力都考虑(4)质量场和风场的适应关系:质量场(气压场)适应风场。
大尺度运动: 风场适应质量场(气压场)。
中尺度运动: 质量场(气压场)适应风场。
第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为:地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波:一般把气流过山所引起的气流称为地形波。
3、地形波的基本类型:层状气流(山脉波):山脉上空的平滑浅波,风小。
驻涡气流(驻涡):山脉背风面的半永久性涡旋,山顶以上风速大。
数值天气预报第十章几种数值模式及模拟试验举例兰州大学大气科学学院中小尺度天气系统常与暴雨、冰雹、雷雨大风等剧烈天气过程联系在一起。
随着探测手段的进步,监测和跟踪能力的提高,对中小尺度天气系统发生、发展机制的探讨及预报方法的研究,近年来取得迅速的进展。
1986——1990 年期间,中国建立了京津冀地区的中尺度天气系统的监测和预报基地。
数值模拟是用试验的手段分析中小尺度天气系统的理论工具。
用其研究中小尺度天气过程,可以避免研究中求解非线性方程组的困难,但却较真实的揭示出影响中小尺度天气过程的物理因子以及演变的细节。
本章内容描述中小尺度天气系统的基本方程组描述中小尺度天气系统的线性方程组的动力学特征模拟中小尺度天气系统应考虑的物理因子中尺度天气系统数值模拟实例3.其他方程的简化热流量方程、水分方程及其他气体和气溶胶方程,一般较少做简化,采用原有方程形式。
只有当源汇项较小时,可将它们略去。
小结:简化的中小尺度系统的方程组,其连续方程根据系统深厚或浅薄分别取(10.20)式或(10.22)式;其垂直运动方程根据系统的水平尺度分别取(10.27)或(10.28)式;水平运动方程采用(10.32)式和(10.33)式;而其他方程一般仍取原有形式,即(10.2)及(10.4)至(10.8)式。
这些方程则构成了描述中小尺度系统的基本方程组。
(10.75)(10.76)引入这两个参数的目的是为了在分析中追踪它们所代表的项;以便很清楚地了解采用流体静力假设或滞弹性假设应被忽略的项。
二、形式解与频率方程上述方程组中含有6个未知数及,有6个方程,则方程组闭合,可以求解。
设各未知数有下列形式的解:11,0,λ⎧=⎨⎩21,0,λ⎧=⎨⎩表示流体是非静力的表示流体是静力平衡的表示流体是可压缩的表示流体是滞弹性的u v w p ρ′′′′′、、、、θ′(10.77)将上述形式解代入方程组(10.69)~(10.74)中,可得含有6个未知数的线性齐次代数方程:%()()()() ()() ()()()()%()(),,,,,,,,,,,,x z x z x z x z x z x z i k x k z t x zi k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z i k x k z t x z u u k k e v v k k ew w k k e p p k k e k k e k k eωωωωωωωωωωρρωθθω+−+−+−+−+−+−⎧′=⎪⎪′=⎪′⎪=⎪⎨′=⎪⎪′=⎪⎪′=⎪⎩%力假定或滞弹性流体假定去除。
中尺度气象模拟Mesoscale Meteorological Modeling一、课程基本情况课程类别:专业任选课课程学分: 2 学分课程总学时:32 学时,其中讲课: 16学时,实验(含上机): 16 学时课程性质:选修开课学期:第6学期先修课程:大气物理学、动力气象、数值天气预报、中尺度气象学适用专业:大气科学专业教材:《中尺度气象模拟》,气象出版社,R.A.Pielke,1990开课单位:大气物理学院大气物理系二、课程性质、教学目标和任务本课程的目的是提供中尺度数值模拟方面的概述性介绍,并对当前气象业务应用中的中尺度数值预报模式WRF及其预报流程进行系统介绍。
本课程教学任务包括中小尺度大气运动的特征、大气运动基本方程组及中尺度简化、中尺度模式的类型、坐标变换、行星边界层参数化、平均辐射通量、湿热力过程参数化、边界条件和初始条件等主要内容。
在课堂教学的基础上,本课程还安排了中尺度模拟实例的上机试验,培养学生对中尺度数值模式的直观认识和动手能力。
三、教学内容和要求1.绪论(2 学时)(1)掌握中尺度天气特征及数值预报的基本流程;(2)熟悉数值模式基本类型及应用范围;(3)了解中尺度气象学的主要研究方法;(4) 初步了解数值预报的发展简史;重点:中尺度数值模拟特征和主要流程难点:数据同化和集合预报方法的概念及其在数值预报中的应用2. 地图投影及模式求解方法(3学时)(1)掌握地图投影的基本概念;差分方法和有限元方法在数值求解中的作用;(2)熟悉隐式格式和显式格式的差别以及中尺度气象模拟中的选择,差分方程的一致性、收敛性和线性稳定性;(3)理解不同地图投影的差别及适用范围;模式初值化和空间边界条件;混淆误差;非线性不稳定(4)了解模式诊断方程和非线性效应,谱方法在全球模式中的应用;重点:不同地区数值天气模拟时投影方式的选取及误差特征;中尺度模式动力框架难点:差分方法和有限元法的误差增长机制3. 离散网格、资料处理与初始化(4学时)(1)掌握中尺度模拟过程区域设置、格距和边界设置的原则(2)熟悉水平网格结构及在中尺度气象模拟中的选择(3)理解交错网格和拉伸网格的基本概念;资料同化的作用和变分方法重点:离散网格的概念;中尺度模式中格距和边界方案的设定方案难点:CFL判据4. 中尺度模式中的参数化(5学时)(1)掌握参数化的基本概念及在模式中的作用,次网格尺度过程和雷诺平均、积云对流参数化在中尺度模式中的适用(2)熟悉行星边界层参数化、积云对流参数化、辐射通量计算的基本过程(3)理解模式中辐射通量计算(4)了解多种积云对流参数化方案的差别重点:物理过程参数化方法的概念;积云对流和云微物理方法对降水模拟的影响难点:积云对流参数化方案的分类;辐射传输方案的计算流程5. 天气研究和预报模式WRF(2学时)(1)掌握WRF模式整体框架及物理方案(2)熟悉模式动力方程组及计算方案;(3)了解WRF模式在数值天气预报、空气质量预报和森林火灾中的应用;重点:WRF模式不同物理方案及其适用性难点:模式计算方案6.中尺度气象模拟上机实习1——地形诱发的中尺度系统模拟(6学时)(1)掌握Linux系统基本操作及WRF模式主要结构和运行方法(2)熟悉海陆风模拟试验的流程及模式结果后处理,总结分析并完成实习报告;(3)了解模式中控制文件各参数的含义重点:Linux基本操作;模式namelist控制文件的含义难点:模拟区域设定和物理方案的选取7、中尺度气象模拟上机实习2——天气尺度系统诱发的中尺度系统模拟(10学时)(1)掌握热带气旋过程的路径演变及天气特征分析,利用WRF对其生命周期进行模拟;(2)熟悉模式输出结果的处理方法及绘图分析,完成实习报告;(3)了解模式模拟的不足及模拟误差产生的可能原因;重点:嵌套方法在台风模拟中的应用难点:模拟结果的后处理及误差产生机制四、课程考核(1)作业等:作业:3 次,课程论文:0 篇;(2)考核方式:闭卷考试(3)总评成绩计算方式:(平时成绩20%,期末考试成绩80%)五、参考书目1、《数值天气预报基础》,气象出版社;周毅,2003;2、《数值天气预报》,气象出版社;沈桐立,2003;。
中尺度数值模拟报告中尺度数值模拟是一种重要的气象预报手段,可以对天气过程进行较准确的预测和分析,尤其在短期天气预报中具有很高的实用价值。
以下是一份中尺度数值模拟报告的范例。
报告名称:2021年8月21日北京市短期天气预报预报时间:2021年8月20日15时一、天气概况北京市区今天(8月20日)自早晨以来开始阴雨天气,气温明显下降。
预计明天(8月21日)北京市有小到中雨,其中西南部地区部分地方有暴雨,受降雨影响,气温下降较大,最高气温不超过27℃。
二、气象预报1. 降水预报北京市区明天上午有小到中雨,中午时段转为零散小雨。
西南部地区降水较强,局地有暴雨,建议做好防御准备。
预计24小时内,北京市区累计降水量为10-25毫米,局部西南部地区可能达到30-50毫米。
2. 温度预报明天北京市气温将继续下降,最高气温不超过27℃,最低气温为20℃左右。
各区气温预计变化范围为:东城区、西城区、朝阳区、海淀区、石景山区、丰台区、通州区、房山区、顺义区、门头沟区、昌平区、大兴区、平谷区最高气温均在27℃以下。
3. 风力预报明天北京市区气流较强,东部地区有6-7级偏东北大风,其他区域风力为4-5级偏东北风。
三、预警提示根据气象预报,预计明天北京市西南部地区降水较强,局地有暴雨,建议留意山区洪水和滑坡灾害的可能性,及时采取措施,确保人身安全。
四、评估分析此次天气系统来袭,与强冷空气和副高相互作用使得北京市气温下降,降水增多的趋势很明显。
目前各项数据稳定,预报准确度较高。
综合分析,明天北京市仍有较强的降水和大风天气,需要做好防护措施。
五、预报措施依据气象预报,明天初始化观测方案包括增加对西南部地区的降水监测和洪水及滑坡等风险评估,及时调整预警方案,避免因天气带来的自然灾害。
同时,加强监测台站、拓展网络、科学管理,不断提高短期天气预报的准确率和精度。
Advances in Education 教育进展, 2023, 13(9), 6456-6461 Published Online September 2023 in Hans. https:///journal/ae https:///10.12677/ae.2023.1391005新形势下《中小尺度天气学与强天气》课程教学改革与发展探讨陈杨瑞雪*,郑佳锋,华 维,封彩云成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都收稿日期:2023年8月2日;录用日期:2023年8月30日;发布日期:2023年9月6日摘 要《中小尺度天气学与强天气》是大气科学专业本科课程之一,也是了解中小尺度天气系统特征和形成机制的基础课程。
新形势下的防灾减灾政策对天气预报的精度和准确度提出了更高的要求,这要求大气科学专业人才对造成极端天气的中小尺度天气系统特征和形成机制有深入的了解。
因此,新形势下的《中小尺度天气学与强天气》课程的教学改革对于大气科学专业人才的培养具有重要意义。
本文基于该门课程的教学现状,从课程内容设置、教学方法改善和课程教学模式变革等方面,探讨了该门课程教学改革和发展的可能途径,旨在为《中小尺度天气学与强天气》课程的本科教育教学提供参考。
关键词《中小尺度天气学与强天气》,新形势,评价机制,教学方法Discussions on the Educational Reform on the Course of the “Micro- and Meso-Scale Synoptic Meteorology and Severe Weather” under the New SituationsYangruixue Chen *, Jiafeng Zheng, Wei Hua, Caiyun FengSchool of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan Received: Aug. 2nd , 2023; accepted: Aug. 30th , 2023; published: Sep. 6th , 2023*通讯作者。
《中⼩尺度数值模拟》复习.docx中⼩尺度数值模拟第⼆章控制⼤⽓的基本⽅程组和地图投影1、数值模式下的平均运动⽅程组——= gP + g — ZQx% + F dt p 沦⽫0 吧于⼼Q 肆⼇⼆PRTdt p2、次⽹格过程⽤格点值不能直接描述的过程。
如湍流,积云对流⼀对流扰动(空间)。
平均值对应⽹格点值,扰动值对应次⽹格过程。
3、⽓象上常⽤的地图投影有哪些?在数值模拟过程中如何确定使⽤何种地图投影?(1)极射⾚⾯投影:⾼纬地区变形⼩,多⽤作极地天⽓图和北半球天⽓图的底图。
(k=l)(2)兰伯特投影:中纬地区变形⼩,适⽤于中纬度地区天⽓图的底图,如亚欧天⽓图。
(3)麦卡托投影:低纬地区变形⼩,适⽤于作低纬地区天⽓图的底图。
(k=0)第三章⽅程组的离散⼀差分法4、中⼩尺度现象的模拟⽅法(1)实验室模型:动⼒相似性(2)解析解:数学⽅法求解⽅程(连续)(3)数值模式:离散数值求解⽅法5、数值求解的主要⽅法及其适⽤范闱有限差分法:利⽤Taylor级数展开,使⽤最⼴泛。
有限元法:根据能量最⼩原理,将积分区域划分为有限的、不重叠但互相连接的单元,每个单元选择基函数,⽤单元基函数的线性组合逼近单元⼬的真解,整体区域的基函数可以看作由每个单元基函数组成,整个区域的解可以看作由所有单元的近似解,适⽤于不规则区域。
谱⽅法:Fourier变换(谱展开),主变换要⽤于全球模式,计算精度髙,现已经在⼬尺度模式中应⽤。
6、什么是差分⽅程的⼀致性、收敛性和线性稳定性?⼀致性(相容性):即差分⽅程是否逼近微分⽅程(当步长⼀0)收敛性:在⼀定的定解条件下,差分⽅程的解U是否逼近微分⽅程的解u。
稳定性:在时间积分过程中,当时间步长趋向于0时,在整个求解区域内,舍⼊误差U-U保持有界则是稳定的。
即差分解的误差不随时间增长。
7、什么是差分⽅程的⾮线性计算不稳定?产⽣的原因是什么?答:在满⾜线性稳定性条件下,由于⾮线性作⽤⽽产⽣的不稳定,称为⾮线性不稳定。
中小尺度天气动力学第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度天气系统:时间尺度和空间尺度比常规探测站网小,但比积云单体的生命周期及空间尺度大得多的一种尺度。
即水平尺度为几公里到几百公里,时间尺度由1小时到十几小时。
2、划分依据及分类:1)早期的经验分类天气系统——大尺度、中尺度和小尺度空间尺度分别为:106m、105m和104m时间尺度对应为:105s、104s和103s2)依据物理本质对天气系统进行分类(动力学分类方法)依据无量纲数罗斯贝数Ro 和拉格朗日时间尺度T的尺度分类行星尺度、气旋尺度、中尺度、积云尺度、小尺度3)Orlanski的综合分类(观测与理论分类)大尺度(α、β)中尺度(α、β、γ)小尺度3、中尺度大气运动的基本特征1)空间尺度范围广,生命周期跨度大;2)气象要素梯度大;3)散度、涡度与垂直速度;4)非地转平衡和非静力平衡;5)质量场和风场的适应;6)小概率和频谱宽、大振幅事件第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统的分类:地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波的基本类型主要依赖风的不同类型(1)层状气流小风、层状气流。
平滑浅波,波动只发生在山脉上空的浅层,向上很快消失——山脉波(mountain wave)(2)驻涡气流:在山顶高度以上风速较大时,可能在山脉背风坡形成半永久性的涡动,上面则有气流的平滑浅波——驻涡(standing eddy)(3)波动气流当风速随高度增大时,在背风坡出现波动气流——背风波(lee wave)。
背风波可以伸展到对流层上层和平流层。
(4)转子气流:在背风波出现时,当垂直方向有风速极大值出现时,则会形成转子气流(rotor streaming)。
驻涡和转子是背风波的特殊形式!3、背风波的形成、特征及大气条件背风波是地形波的一种类型,由于障碍物引起空气垂直振荡而造成的。
特征:波长:1.8~70km之间,多为5~20km左右。
波长一般随高度而变,高层较长,低层较短。