数值天气预报总纲

引言数值天气预报的定义在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动方程，由已知初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态数值预报模式的主要内容初始场（资料同化）数值天气预报模式需要一个初始时刻的状态作为初始场，而初始场一般由常规观测资料和雷达、卫星及其他费常规观测资料同化而成。

动力框架(数值方法)基于七个基本方程，根据预报的时空尺度和预报对象对方程组进行简化，使用不同的差分方式进行数值计算。

物理过程(参数化)数值模式基于动力框架通过物理过程参数化来描述不同尺度的天气过程。

其中对参数化过程的优化和改进对数值模式预报准确率的提高起着关键的作用。

数值天气预报的特点种类繁多；空间、时间分辨率高；时空分布的连续性好；预报误差特征极其复杂促进数值预报迅速发展的因素探空技术及先进的探测技术的发展；通讯技术的发展；动力气象和天气学的发展；计算机和计算技术的发展数值预报的主要挑战次网格尺度的物理过程由于大气是一种具有连续运动尺度谱的连续介质，故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(见数值天气预报常用计算方法)，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。

非线性方程的数值解虽然在适当条件下，可以证明某些线性微分方程组的稳定格式的数值解，能够近似表示相应的微分方程组的真解，但对于非线性微分方程来说，两种解却可能不完全一致。

已有证据表明虽然有时候数值解是计算稳定的;但却与真解(这是特殊情况，真解是已知的)毫无相似之处。

初值形成问题它包括初值处理、卫星资料的应用和四维同化等问题，这些问题至今尚未很好解决。

误差(1)分析误差:目前，观测系统并不完全按照天气预报的要求建立的，而且观测资料包含各种不同类型、不同分布密度、不同观测频率和观测精度。

基于这种不完善的观测系统基础，所得到的资料同化分析场与真实大气之间必然存在差异，这种来自分析场上的误差导致了模式计算上的误差。

(2)模式误差:模式的水平和垂直分辨率不够精细，物理过程参数化不够完善，难免有这种或那种的假定或简化，很难完全描写真实大气特征而造成误差。

数值天气预报第一章1、名词解释数值天气预报：所谓数值天气预报，就是在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动基本方程组，由已知的初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态。

因此，大气运动基本方程组是制作数值天气预报的基础。

初始条件：初始条件就是初始时刻各因变量(即气象要素)的空间分布。

其一般形式为u=u(x,y,z,O) v=v(x,y,z,O)t=0, w=w(x,y,z,O)p=p(x,y,z,O)T=T(x,y,z,O)边界条件：边界条件就是所研究区域的大气边界上气象要素应满足的条件。

研究全球范围的大气运动，如果大气内部各气象要素都是连续的，则只需给出大气的下边界条件和上边界条件；如果大气内部存在不连续面，则还需给出内边界条件。

尺度分析:所谓尺度分析就是根据某种类型运动的特征尺度来估计基本方程组中各项数量级的大小，从而使方程组得到简化的一种方法。

特征尺度：物理变量的特征尺度是指某种类型运动所占据的空间范围、维持的时间、各场变量及时空变化的典型值。

大气模式：2、问答四种坐标系的优缺点？第二章1、名词解释地图放大因子：映像比例尺m是映像平面上的距离与地球表面上相对应距离的比值，称之为地图放大系数或地图放大因子。

正形投影：投影光源位于球心，映像面为圆锥面，映像面圆锥角为a (0<a<180),标准纬度为<Po 2、问答特点% —- *第二早1、名词解释平滑：所谓平滑就是用某点周围若干点的值进行加权平均来代替该点的值，经过这样处理的物理量场可以衰减或者滤掉短波分量。

2、问答什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性？它们之间的关系如何？答：截断误差是否随着网格距和时间步长趋于零而趋于零，称为解的收敛性问题。

舍入误差是否随着网格距和时间步长趋于零而在整个求解区域内保持有界，称为解的稳定性。

相容性、收敛性和稳定性之间的关系，即为克拉斯等价定理：对于一个线性微分方程的适定初值问题，若其差分方程和微分方程是相容的，则稳定性是收敛性的充分必要条件。

数值预报2022级复习提纲《数值天气预报》复习提纲第一章基本方程1、什么是数值天气预报？2、数值天气预报包含哪些主要内容？3、大气的基本方程由哪些方程构成？4、球坐标系、局地直角坐标系（即Z坐标系）、P坐标系和坐标系的方程组的优缺点？5、根据水平运动方程的形式，可将数值模式分为哪几类？过滤模式和原始方程模式有何区别？之间所6、由坐标系的定义推导出p坐标系的垂直速度和坐标系的垂直速度满足的关系式？7、请写出水平气压梯度力在σ坐标系下的形式？第二章地图投影1、地图投影的基本概念（地图投影放大系数，标准纬度、正形投影、圆锥常数等）2、常见的三种地图投影及其基本特点。

熟悉三种地图投影放大系数的公式。

3、正交曲线坐标系的特点及其矢量运算关系式。

4、拉密系数的概念及意义。

地图投影坐标系的拉密系数是什么？5、如何从正交曲线坐标系的方程推导出地图投影Z坐标系的方程。

6、如何推导地图投影P坐标系的连续方程。

7、请写出水平散度V在地图投影坐标系的展开式。

8、请将气压梯度力1p表示为地图投影（某，Y,Z,t）坐标系的表达式？第三章数值计算方法1、会根据要求建立微分方程对应的差分方程。

2、什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性？如何证明差分格式的线性稳定性判据？稳定性判据的物理意义是什么？3、会建立常用的时间积分格式，它们各有什么特点？4、对于线性方程，有限网格下差分格式会引起哪些误差？如何减小这些误差？5、什么是非线性不稳定，什么是混淆误差？为什么说混淆误差可能是引起非线性不稳定的原因？6、为什么只有2某~4某之间的短波才会发生能量的自反馈，从而引起非线性不稳定？7、抑制非线性不稳定的措施主要有哪些？8、写出平滑系数为S的三点平滑公式，会求解其响应函数R。

当S=1/2时，三点平滑公式有何性能？9、什么是正逆平滑，为何气象中常要采用正、逆平滑的方案？10、写出5点平滑公式、9点平滑公式，说明它们的性能差异第四章正压原始方程模式1、构造正压原始方程模式的物理条件有哪些？每个物理条件在设计模式时有何意义？2、正压原始方程模式的预报方程组由哪几个方程组成，具体形式如何？3、正压原始方程组有哪些主要的积分性质？如何证明其满足全球大气总质量守恒？4、正压原始方程组的线性计算稳定条件是什么？说明该表达式的物理意义。

１第一章、1 什么是数值天气预报？ 根据大气的运动方程组，在一定初始条件和边界条件下，即从现在时刻的天气状况或大气运动状态(边界条件和初始条件)，通过数值计算，用计算机求解描写天气演变过程的大气运动(流体力学和热力学)方程组，得到(预报出)未来天气状况和大气运动变化状态的方法。

不同于传统的天气学方法的定性的和主观的预报，数值天气预报是定量的和客观的预报。

2 大气运动遵守的基本定律和大气运动的基本方程组。

运动方程(牛二定律):连续方程(质量守衡定律):状态方程(理想气体实验定律):一般干空气 未饱和湿空气热力学方程(能量守衡定律):一般,绝热,考虑水汽相变,假绝热过程,水汽方程(水汽质量守恒定律):水汽质量守恒定律,水汽质量守恒方程,饱和假绝热过程,凝结函数. 3 模式大气和大气模式的概念。

模式大气：在不失去大气主要特征的情况下，把非常复杂的实际大气理想化、简单化的大气。

大气模式：为了预报某种天气（如短期或中期预报），在一定的客观条件下，设计出的合适的描述模式大气的动力学和热力学方程组。

4 数值天气预报模式及其分类：什么是过滤模式，什么是原始方程模式。

过滤模式：采用准地转近似或准无辐散近似（非地转）虑掉了模式中的重力惯性波、声波。

原始方程模式：模式中包含有重力惯性波，根据模式大气的垂直结构的不同假设，又分为正压原始方程模式和斜压原始方程模式。

第二章、1 地图投影的一般概念，正形投影的概念和性质。

地图投影的概念:按照一定的数学条件,把球形的地球表面绘于平面图上,,或者说把地球表面投影到一个简单的曲面上.正形投影的概念和性质:又称等角投影,在等角投影面上角度不发生变异,即经过投影后地球表面上任意两条交线的夹角保持不变,从而使地球表面上无限小的图形以相似的形式展绘于投影面上,并且在投影面上任意一点的各个方向上长度的放大或缩小倍数均相等.这种地图投影没有角度误差,但有面积误差. 2 地图放大系数的概念，三种基本正形投影及其适用范围和参数。

《数值天气预报》复习总结
《数值天气预报》是一种基于数值模型的天气预报方法，通过计算大
气动力学、热力学和水气动力学方程，对未来一段时间内的天气情况进行
预报。

数值天气预报的精度和准确性受到多种因素的影响，包括模型分辨率、观测数据质量和种类、物理参数化方案等。

下面是我对《数值天气预报》的复习总结。

此外，物理参数化方案是数值模型中的重要组成部分。

物理参数化方
案主要用于对大气中的一些微观过程进行近似描述，如对流、辐射、湍流等。

复习中，我主要关注参数化方案的原理和应用方法，以及物理参数化
方案对模型预报结果的影响。

在复习过程中，我进行了大量的练习和习题训练，以巩固所学的知识。

同时，我还参考了一些经典的教材和论文，以了解该领域的最新进展。

通
过这些复习工作，我对《数值天气预报》的理论体系有了更清晰的认识，
并且对数值天气预报的方法和技术有了更深入的了解。

同时，我意识到数值天气预报是一个复杂的系统工程，其中涉及到多
个学科的知识和技术。

要想取得准确和可靠的预报结果，需要综合运用气
象学、数学、物理学、计算机科学等多个学科的知识和方法。

另外，观测
数据的质量和种类、数值模型的准确性和分辨率、物理参数化方案的合理
性等因素也会对预报结果产生重要影响。

总结来说，通过对《数值天气预报》的复习，我对数值天气预报的原理、方法和技术有了更全面的了解。

我相信，在今后的学习和工作中，我
能够将这些知识运用到实际中，为提高数值天气预报的精度和准确性做出
贡献。

《数值天气预报》复习总结
《数值天气预报》是一种科学技术，其使用复杂的数学模型和计算机
技术来预测未来几天天气的发展情况，是一种将气象科学和计算机科学结
合在一起的新兴科学。

数值天气预报具有众多优势，它可以计算出大量的
天气参数，从而了解未来的天气趋势，并且在一定程度上实现了对未来天
气变化的预测，在许多方面比传统的天气预报更加准确。

数值天气预报技术的基本原理是使用一组完备的分析方程，来解释大
气中的物理现象，以及由这些物理现象引发的气象变化。

对于大气系统，
其核心方程就是基本的气象微分方程，它有助于描述大气中气流的运动规律。

在数值天气预报中，首先需要对大气里的其中一特定时刻进行评估，
以此作为基础条件；然后，建立一个适当的宏观模型，以描述大气中的每
一部分空间的流变情况；第三，建立一个精细的模型，用于描述大气系统
中每一部分空间的细节流变情况；最后，使用数值技术，结合之前的方程，来模拟大气系统的整体运动规律，从而推算出未来几天的天气变化情况，
实现对未来天气的预测。

传统的天气预报技术需要观测和研究大气中的各种变化情况，而数值
天气预报技术的优点在于可以计算大量的天气参数。

数值天气预报数值天气预报（Numerical Weather Prediction, NWP）是根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，预报未来天气的方法。

和一般用天气学方法、并结合经验制作出来的天气预报不同，这种预报是定量和客观的预报。

预报所用或所根据的方程组和大气动力学中所用的方程组相同，即由连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和3个运动方程(见大气动力方程) 共7个方程所构成的方程组。

方程组中，含有7个预报量（速度沿x，y，z三个方向的分量u，v，w和温度T，气压P，空气密度ρ以及比湿q）和7个预报方程。

方程组中的粘性力F，非绝热加热量Q 和水汽量S一般都当作时间、空间和这7个预报量的函数。

通过高性能计算机求解方程组，获得未来7个未知数的时空分析，即未来天气分布。

数值天气预报与经典的以天气学方法作天气预报不同，它是一种定量的和客观的预报，正因为如此，数值天气预报首先要求建立一个较好的反映预报时段的（短期的、中期的）数值预报模式和误差较小、计算稳定并相对运算较快的计算方法。

其次，由于数值天气预报要利用各种手段（常规的观测，雷达观测，船舶观测，卫星观测等）获取气象资料，因此，必须恰当地作气象资料的调整、处理和客观分析。

第三，由于数值天气预报的计算数据非常之多，很难用手工或小型计算机去完成，因此，必须要用高性能的计算机。

在中国，1982年开展数值预报业务。

目前数值预报已经成为各种业务天气预报的最重要的基础和持续提高业务天气预报准确率的根本途径。

在全球气候变化的大背景下，今年以来中国极端天气事件发生频繁，且呈多灾并发、点多面广的特点，并有多项局部地区灾害强度超过历史纪录。

其中包括南方暴雨洪涝，淮河流域性大洪水；北方多省局地强降雨；川渝地区继去年有气象记录以来最严重干旱，今年又最强降雨；北方和南方同时出现长时间、大范围高温干旱；今年雷击致人死亡为历年之最。

数值天气预报教学大纲一、前言天气预报是气象学的核心内容之一，在现代社会中具有非常重要的意义。

随着科技的进步，数值天气预报成为了天气预报的主要方法之一。

本教学大纲旨在介绍数值天气预报的基本概念、原理、方法和应用，帮助学生了解和掌握数值天气预报的主要内容。

二、教学目标1.理解数值天气预报的基本原理和方法；2.掌握数值天气预报模型的基本结构和运行原理；3.能够分析和解读数值天气预报的结果；4.熟悉数值天气预报在实际应用中的一些案例。

三、教学内容3.1 数值天气预报基本概念•数值天气预报的定义和意义；•数值天气预报的基本原理。

3.2 数值天气预报模型•数值天气预报模型的基本结构和组成部分；•数值天气预报模型的输入和输出；•数值天气预报模型的运行原理和方法。

3.3 数值天气预报数据分析和解读•数值天气预报数据的主要参数和指标；•数值天气预报结果的分析方法；•数值天气预报数据的可视化方法。

3.4 数值天气预报的应用案例•数值天气预报在气象科学研究中的应用；•数值天气预报在气象灾害预警中的应用；•数值天气预报在军事、交通、农业等领域中的应用。

四、教学方法和手段1.理论授课：通过讲解和演示，向学生介绍数值天气预报的基本概念、原理和方法。

2.实践操作：通过实际操作数值天气预报模型和分析数值预报结果，帮助学生掌握数值天气预报的实际应用技能。

3.讨论交流：鼓励学生参与讨论和交流，加深对数值天气预报知识的理解和应用。

五、教学评价和考核1.课堂测验：针对教学内容进行单选、多选和简答题测试，考核学生对数值天气预报的理解和掌握程度。

2.实验报告：要求学生进行数值天气预报的模拟实验，并撰写实验报告，评估学生对数值天气预报模型的掌握情况。

3.课堂讨论：根据学生参与讨论的情况进行评价，评估学生对数值天气预报应用案例的理解和分析能力。

六、教学资源1.数值天气预报模型软件：提供给学生使用数值天气预报模型进行实际操作和分析。

2.书籍资料：提供数值天气预报相关的教材和参考书籍，供学生学习和参考。

数值天气预报教学大纲1. 简介数值天气预报是一种基于数学模型和计算机模拟的天气预报方法，通过对大气、海洋等要素的观测和分析，运用数学和物理模型对未来的天气进行预测。

本课程将介绍数值天气预报的基本原理、方法和应用，帮助学生了解天气预报的科学性和实用性。

2. 学习目标本课程的学习目标如下： - 理解数值天气预报的基本原理和方法； - 掌握数值天气预报的数据处理和模型运算方法； - 学会运用数值天气预报模型进行天气预测和分析； - 了解数值天气预报在气象学、农业、航空等领域的应用。

3. 教学内容3.1 数值天气预报原理•大气观测和分析方法•大气物理和数学模型•数值预报的数值差分方法和模拟问题•模型参数和边界条件的选择3.2 数值天气预报方法•数值预报模型的发展历程和分类•数值模型的结构和运算原理•静力平衡和动力平衡的处理方法•误差和不确定性的分析与评估3.3 数值天气预报数据处理•天气观测数据的质量控制和预处理•数据插值和外推方法•大气要素和变量的处理和计算•数据可视化和分析方法3.4 数值天气预报模型应用•雷达和卫星观测数据的应用•航空和海洋天气预报的模型应用•气象灾害预报和预警系统•农业气象和环境保护的应用4. 教学方法本课程将采用讲授、案例分析和实践操作相结合的教学方法。

学生将通过理论授课了解数值天气预报的基本原理和方法，并通过实践操作掌握数据处理和模型运算的技巧。

案例分析将帮助学生将所学知识与实际应用相结合，并培养学生的问题解决能力和创新意识。

5. 评估与考核学生的评估与考核主要包括以下方面： - 日常作业和实验报告：占总成绩30% - 课程项目和案例分析：占总成绩40% - 期末考试：占总成绩30% 评估与考核旨在全面考察学生对数值天气预报的理解和应用能力，培养学生的实际操作和问题解决能力。

6. 参考资料•李敏，何大明. 数值天气预报基础与实践[M]. 气象出版社，2018.•杨培，郭志刚. 数值预报原理与方法[M]. 气象出版社，2019.•Tijana Janjić. The Weather Research and Forecasting Model: Overview, System Efforts, and Future Directions.Bulletin of the American Meteorological Society, 2011,92(8): 39-46.7. 其他要求•学生需要具备一定的物理、数学和计算机基础知识；•课程中的实践操作需要学生使用计算机进行模型运算和数据处理；•学生需要自备计算机，并安装相应的数值天气预报软件和数据处理工具。

《数值天气预报》全册完整教学课件 (一)本文将介绍《数值天气预报》全册完整教学课件，帮助读者更好地了解这份教材，方便教学、学习和应用。

一、教学课件概述《数值天气预报》全册完整教学课件是一套系统完整的教材资源，经过多次优化和更新，内容丰富、结构清晰、操作简单。

该课件的主要特点有：1.内容包含全面：课件内容涵盖了大气环流、天气系统、数值预报模型、数值预报应用等多个方面的内容，既有基础理论又有前沿技术。

2.操作性强：课件配备了多媒体演示、实验仿真、操作练习等多种配套资源，实现了理论与实践相结合的教学模式，帮助学生有效掌握知识点。

3.适应性强：教材内容严谨，适用于气象及相关专业的大学本、研究生及科研人员使用，也适用于各级气象工作者及科普人员。

二、教学课件内容概述该教学课件共分为5个部分，包括“大气环流与天气系统”、“数值预报基础”、“多种数值预报模型介绍”、“数值预报技术应用”和“数值预报发展趋势”，具体内容如下：1.大气环流与天气系统：介绍大气环流的基本概念、大气成分和基本状态、地球运动和气候、天气系统和气象物理等方面知识。

2.数值预报基础：介绍数值预报的基本概念、历史沿革、数值预报模型的基本构成和原理、气象要素及其预报方法等方面。

3.多种数值预报模型介绍：对目前国际上较为流行的NCEP GFS、ECMWF、NCEP WRF等数值预报模型进行介绍，使学生了解不同数值模型的特点和适用范围。

4.数值预报技术应用：介绍数值预报在天气预报、气候预测、灾害预警和资源管理等方面的应用，以及如何利用数值预报信息制定气象服务，提高人们对天气的了解和适应能力。

5.数值预报发展趋势：介绍国际上数值预报技术的最新动态与发展趋势，以及数值预报技术对气象服务的提高和改进所产生的作用和影响。

三、应用前景《数值天气预报》全册完整教学课件适用于大学气象以及相关专业本、研究生课程的教学，还可以为各级气象工作者和科普人员提供学习和应用方面的参考。

本科课程教学大纲教务处编印二〇〇九年六月数值天气预报Numerical Weather Prediction课程编号：3160142课程属性：专业主干课学分： 3 学分学时： 48 学时（讲课：38 学时，上机：10 学时，实验： 0 学时）课程性质：必修先修课程：高等数学、计算方法、程序设计、流体力学、气象学、天气学、动力气象学适用专业：大气科学方向教材：《数值天气预报》气象出版社沈桐立等编著 2010 版。

开课院系：大气科学学院一、课程的教学目标和任务本课程是气象科学的一门专业课，本课程主要介绍数值天气预报的基础知识、基本原理和基本方法；开设本课程的教学目标和任务是：使学生系统地理解数值天气预报的基本原理；切实地掌握制作数值天气预报的方法；初步具备设计数值天气预报模式的能力；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。

二、教学内容和要求1．大气运动的基本方程组（5学时）（1）了解数值天气预报的发展史；（2）熟悉各种形式的大气运动方程组；（3）掌握有关大气运动方程组垂直坐标变换的有关概念、基本方法和技巧，重点掌握大气运动方程组在P坐标、 坐标系下的坐标变换和表示方法；（4）了解数值模式的基本分类。

2．地图投影坐标系中的大气运动基本方程组（10学时）（1）掌握地图投影的基本知识，尤其掌握正形投影的基本概念；（2）熟悉常见的三种正形投影的定义、特点；（3）熟悉不同地图投影下放大系数的计算方法；（4）掌握正交曲线坐标系的基本概念和水平坐标变换的基本方法；（5）掌握应用有关知识导出地图投影直角坐标系下的方程组。

（6）熟悉普遍的地图投影直角坐标系的方程组向极射赤面投影直角坐标系的方程组的转换。

3．数值计算方案（7学时）（1）理解差分方法的主要思想，掌握差分格式的构造方法；熟悉并能够应用常用的差分格式；了解差分格式的基本性质；（2）掌握确定差分格式稳定性判据的方法，能够对不同类型的差分格式的稳定性进行分析；（3）掌握时间积分方法，熟悉常用的时间积分格式及其特点；（4）了解有限差分格式所引起的各种误差；（5）熟悉非线性计算不稳定的概念，理解非线性计算不稳定产生的原因，并熟悉其常用的抑制方法。