数值天气预报基础

天气预报基础知识主要包括以下几个方面：
1. 天气预报的内容：要说明一日内阴晴、风、气温和降水的情况。

* 阴晴：当天空布满云时，为“阴天”；当天空无云或云很少时，“晴天”。

* 风：风吹来的方向叫风向，风的强弱叫风力，共分13级，级数越大，风力越强。

* 气温：大气冷热的程度，用“℃”表示，读作“摄氏度”。

* 降水：用降水概率来表示降水的可能性大小。

2. 时间用语和气象用语：在收听天气预报时，常常听到“今天白天”和“今天夜间”等时间用语，“多云”、“阴”、“晴”等气象用语。

其中，“今天白天”是指上午8点到晚上20点这12个小时，“今天夜间”指20点到次日早上8点这12个小时。

3. 卫星云图：在卫星云图上，绿色表示陆地，蓝色表示海洋，白色表示云区。

白色程度越浓，表示云层越厚，云层厚的地方一般是阴雨区。

4. 天气预报的分类：
* 短期天气预报：是指时效在3天以内的预报，预报未来3天的天气情况。

* 中期天气预报：是指未来3天以上到10天或15天的天气预报，包含一周天气预报和十天天气预报，主要内容有气温、降水趋势以及主要天气过程等信息。

* 短期天气预报：是指时效在0-12小时的预报，主要依据雷达监测、卫星探测信息，对局地强风暴系统进行监测，预报未来的天气动向。

此外，还有时效为月、季、年、数年等更长时段的气候趋势预报产品。

这些基础知识有助于更好地理解和使用天气预报信息，从而做出合理的安排和决策。

数值天气预报是一种利用数学和物理模型来模拟大气运动以进行天气预测的方法。

这个过程包含了数学、物理学和计算科学的多个方面，下面是一些数值天气预报的数学物理基础：1. **大气动力学：** 大气动力学是研究大气中运动的学科，它涉及到质量、动量和能量的守恒，以及由气体的运动引起的各种现象。

数值天气预报中的大气动力学模型是基于Navier-Stokes方程的，这是描述流体运动的基本方程。

2. **热力学：** 热力学是研究能量转移和转化的物理学科。

在数值天气预报中，考虑到大气的温度、压力和密度的分布，以及气体的热力学性质，是建立准确模型的关键。

3. **边界条件：** 数值模型需要边界条件来描述系统的边界处的影响。

对于大气模型，这包括地表条件、海洋表面温度等，这些条件在数值计算中起着重要的作用。

4. **数值方法：** 解决Navier-Stokes方程等巨大的数学模型通常需要数值方法。

这包括有限差分法、有限体积法和有限元法等。

这些方法将偏微分方程离散化，转化为计算机可以处理的形式。

5. **初始条件：** 数值模型需要一个初始状态，通常使用观测数据来提供。

这些初始条件包括大气中的温度、湿度、风向等参数。

6. **数值实验：** 大气模型是一个非常复杂的系统，而且存在许多未知因素。

因此，数值天气预报通常使用集合预报和蒙特卡洛方法来估计不确定性，并进行多次模拟来提高准确性。

7. **数据同化：** 将观测数据与模型输出结合起来的过程被称为数据同化。

这有助于提高模型的准确性，使其更好地反映真实大气的状态。

这些基础原理和技术共同构成了数值天气预报的核心，使得我们能够通过计算机模拟大气的运动状态，从而提供准确的天气预报。

1.1 天气图分析1.1.1 地面天气图地面天气图反映了某区域某时刻的地面天气系统和天气状况。

一张地面图上用数值或符号填写各个气象观测站在同一时刻的气象要素观测记录。

它填有观测时刻地面各种气象要素和天气现象，如气温、露点温度、风向、风速、海平面气压、能见度和雨、雪、雾等；还填有能反映空中大气现象的一些记录，如总云量、低云量、低云高以及高云、中云和低云的云状等；既有当时的记录，又有一些能反映短期内天气演变实况的记录，如3h变压、过去6h内的天气，过去6h降水量等。

地面天气图是填写气象观测项目最多的一种天气图，是天气分析和预报中很重要的工具。

图1.1 MICAPS中地面填图格式地面图主要分析海平面气压场（即海平面气压等值线），分为低压、高压、低压槽、高压脊、鞍形气压场五种基本形式，任一张海平面气压图都是由这五种基本形式构成的。

图1.2a MICAPS中显示的2009年8月17日08:00 500hPa天气图1.1.1.1 锋面锋面是冷暖气团的过渡带，是水平温度梯度大的区域，斜压性强，有利于垂直环流的发展和能量转换，锋面附近常有剧烈的天气发生。

锋面是天气预报中重点关注的天气系统之一。

因此，锋面的识别和分析是地面天气图分析中的重点。

根据锋面在移动过程中冷、暖气团所占的主、次地位，可将锋面分为：冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋。

⑴冷锋: 锋面移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动，这种锋面称为冷锋。

冷锋过境后，冷气团占据了原来暖气团所在的位置，导致气温下降。

需要注意的是，气团在移动过程中，由于变性程度不同，或有小股冷空气补充南下，在主锋后常有副冷锋形成，一般主锋两侧的温度差值较大，副冷锋两侧温差较小。

图1.2a中有两条冷锋，一条是从低压中心向南向西伸的气旋中的冷锋，称为主锋；另一条是其后部补充南下冷空气而形成的副冷锋。

图1.2a MICAPS中显示的2009年8月17日08:00 500hPa天气图冷锋注释内容暖锋注释内容准静止锋注释内容图1.3 锋附近3h变压和雨区示意图锢囚锋注释内容锋面动画演示业务上常用的判断锋面位置的方法主要有：⑴温度分析：锋面两侧有明显的温差，冷锋后有负变温，而暖锋后有正变温。

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。

数值天气预报数值天气预报(numerical weather prediction)是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。

内容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，必须要有大型的计算机。

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)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，这样，预报量的数目和方程的数目相同，因而方程组是闭合的。

发展历史国际全世界已有30多个国家和地区把数值天气预报作为制作日常天气预报的主要方法，其中不少国家和地区除制作1~2天的短期数值天气预报外，还制作一个星期左右的中期数值天气预报。

中国中国于1955年开始摸索作数值天气预报，1959年开始在计算机上进行数值天气预报，1969年国家气象局正式发布短期数值天气预报，以后逐步改进数值预报模式并实现了资料输入、填图、分析和预报输出的自动化。

数值天气预报的基本原理数值天气预报是基于数学模型和现代气象学理论实现的一种预报方法，它的基本原理主要包括以下几个方面：一、数值模型的建立数值模型通常会将大气划分成网格，通过对每个网格的物理方程进行离散化、数值求解，来模拟大气在不同高度、不同时间的物理过程。

其中，物理方程通常包括质量、能量、动量守恒方程等，而数值求解采用的是数值计算方法，如有限差分、有限元等。

二、数据输入和处理数值预报需要大量的气象数据来提供给数值模型，包括观测数据和数值预报资料。

观测数据主要来自气象观测站、卫星遥感等，而数值预报资料则包括历史数据、其它数值预报模型的预报资料等。

这些数据需要进行质量控制、插值等处理，以提高预报的准确性。

三、初始化初始化是对数值模型的第一次运算，利用已有的观测数据和预报数据，对数值模型进行初始值设定，以便预报未来的天气状况。

初始化中涉及到的要素包括气压、温度、湿度、风向、风速等。

四、数值预报在数值模型完成初始化之后，便可以进行数值预报，预报的时间可以从数小时到数天不等，具体预报时间由模型的运算能力和实际需要而定。

预报的过程中，数值模型将各个网格中的数值连成数列进行求解，最终预报出各种气象要素的空间分布和时间变化。

五、后处理数值预报完成后，还需要进行后处理以制作出直观有效的预报图，为大众提供使用。

所谓的后处理包括对预报数据的插值、网格剖分、等值线绘制等等。

预报数据的直观展示是数值预报实际应用中不可缺少的环节。

总之，数值天气预报以其高准确度、快速更新的特点，成为了现代气象预报的重要方法之一。

在未来，随着大数据处理和人工智能等技术的发展，相信数值天气预报仍将有更加广阔的应用前景。

大气数值模式及模拟（数值天气预报）习题第一章大气数值模式概论1．试述原始方程组、全球模式、区域模式和非静力模式之间的区别。

2．试述天气模式、气候模式的主要区别？3．区域气候模式、大气环流模式、中尺度模式、陆面模式、边界层模式各有什么特点？第二章 大气运动方程组1. 试证明球坐标系中单位矢量i 的个别变化率为(sin cos )cos di u j k dt r ϕϕϕ=- 2.试说明局地直角坐标系（即z 坐标系）中的运动方程与球坐标系中的运动方程有何异同？3．用球坐标导出下面两个方程：(sin cos )cos d i u j k dt r ϕϕϕ=- tan d j u v i k dt r rϕ=-- 4.由热力学方程v dT d C p Q dt dtα+=推导出如下方程： p dT C Q dt αω-= ()dp dtω= 式中v dT C dt为单位质量理想空气内能的变化率，v C 为空气的定容比热，d p dtα为可逆过程中单位质量非粘性气体在单位时间里膨胀所作的功。

Q 为外界对单位质量空气的加热率。

第三章 数值计算方案1. 什么是差分格式的收敛性和稳定性？二者之间有何关系？2. 试证明一阶偏微商u x ∂∂的三点差商近似式：3(,)(,)213(,)4(,)(2,)22u u x x t u x t x x u x t u x x t u x x t x ∂+∆-⎡⎤=⎢⎥∂∆⎣⎦-++∆-+∆⎡⎤-⎢⎥∆⎣⎦的截断误差为2()O x ∆。

3. 用中央差分将涡度方程()()()l l u u u v l t x y x y∂Ω∂Ω+∂Ω+∂∂++=-+∂∂∂∂∂ 写成有限差形式。

设(,)l l x y =，并取水平坐标步长为s δ，时间步长为t δ。

4. 分别对x 轴上的i+1和i+3格点，以d 和2d 为步长，写出一阶微商dF dx的前差、后差和中央差的差分近似式，以及二阶微商22d F dx 的二阶中央差分近似式。

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。

兰州大学 大气科学学院数值天气预报第九章 资料同化基础兰州大学 王澄海大气中的凝结释放的潜热是大气运动中重要的热源和能 源，尤其是热带大气运动中热源的主要部分。

凝结过程分为： z 大尺度上升运动；上升缓慢，范围宽广。

中纬度锋面降 水大多属 该类型； z 积云对流；上升快，范围较小。

热带降水大多属于此类 型。

z 一些天气过程中，两种类型也可以共同起作用。

暴雨、冰雹、台风等灾害性往往伴随着较强的对流活 动。

积云对流过程的准确描述是做好对流性降水预报的关 键。

兰州大学大气科学学院 2 本章内容1. 1. 湿热力过程和积云对流的基本理论 湿热力过程和积云对流的基本理论 2. 2. 大尺度凝结过程 大尺度凝结过程 3. 3. 四种对流参数化方案 四种对流参数化方案 4. 4. 四种对流参数化方案的比较 四种对流参数化方案的比较兰州大学大气科学学院31 湿热力过程和积云对流的基本理论小尺度积云对流是在一定的大尺度环境中产生，又反过来影响 大尺度环境场的变化。

描述小尺度积云对流和大尺度运动的相互作 用的两种方法：‹直接法，求解描述两类不同尺度运动的耦合方程组，直接求解积云尺度运动 ‹间接法，用参数化方法考虑小尺度运动对大尺度运动的总体影响， 不考虑小尺度运动的细微结构直接法要求模式分辨率很高，从而计算量相当巨大，仅限于在 一些非静力模式和云模式中采用。

间接法简单易行，各国数值天 气预报模式和大气环流模式多采用该方法。

本节主要介绍间接法 的基本思路和对应的方程组。

取一水平面积为单位面积，该面积对于小尺度运动来说必须足 够大，以包括相当多的性质相同的积云体；对于大尺度又要很小。

兰州大学大气科学学院4要使各物理量在此面积内的平均值对于大尺度运动有足够高的分辨 σ c ，无云面积为1 − σ c ， σ c 为积云 率。

设单位面积内积云所占面积为 Gc , G, G 分别表示云 覆盖比。

用 G 表示温度 T ，比湿 q 等诸物理量， 内 G 值、云外环境 G 值和单位面积的 G 的平均值，G 也表示大尺度 运动物理量。

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。