数值天气预报实习报告
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南京信息工程大学 实验（实习）报告
实验（实习）名称 正压原始方程数值预报模式实习 日期 2011.5.27 得分
指导老师 施春华,邵海燕,段明铿 系 大气科学 专业 大气科学（气候资源方向）
年级 08 班次 2 姓名 顾飞 学号 20081349054
一、实习目的与要求
1、实习目的
通过正压原始方程模式的实习，加深理解该章所学的基本内容；掌握当今制
作数值天气预报的一般方法和主要步骤；并在数值计算、编制程序和上机操作等
方面得到进一步训练。
2、实习要求
以1973年4月29日08时（北京时）我国东北、华北地区500hPa等压面位
势高度场及地转风场作为初值，采用固定的水平侧边界条件，应用正压原始方程
二次守恒平流格式的模式，制作未来24小时有限区域500hPa位势高度场和风场
的预报。
3、实习资料说明
本文档位于“practice”目录下，本目录下有三个文件夹：
“Input”文件夹内是初始场，文件名分别为“za.dat”、“ua.dat”和
“va.dat”，分别为初始的位势高度场和风场的u、v分量。
“Model”文件夹内是正压原始方程模式的源程序mbpm1.f90，其中
删去了计算地转风的子程序，也删去了五点平滑的子程序。本实习
的任务就是将这两个子程序补充完整，具体的公式可参见本文档第7
部分。
“Output”文件夹为正压原始方程模式的输入结果，包括输出的地转参数、
地图放大系数、静力初始化得到的风场、24h预报的位势高度场和风场。其中位
势高度场和风场具有文本文件和二进制文件两种。前者便于查看结果，后者便于
绘图。模式顺利运行后产生的文件都会放在这个目录下
二、模式的性能介绍
正压原始方程模式描述的大气，既有缓慢移动的大气长波，又包含了快速移
动的重力惯性波，因此，模式可以模拟出准地转演变和地转适应过程，比准地转
模式能够更近似地描述实际大气中的物理过程。
但存在如下问题：
1、原始方程模式中包含快波解，为保证计算稳定性，时间步长必须取得很
短，而使得计算量过大；
2、当时间步长取得很短时，非线性计算不稳定的问题尤为突出；
3、原始方程模式中包含多种波动解，对资料的初始化要求较高；
4、对边界条件很敏感，要求给出适当的边界条件。
三、模式的基本假定、基本方程、技术方法、计算流程等的介绍
1、模式的基本假定：
（1）、大气为正压状态：水平风速不随气压变化；
（2）、大气为均匀不可压缩的流体：密度为一常数；
（3）、大气处于静力平衡：水平气压梯度不随高度变化；
（4）、大气上界为自由面：有水平辐合辐散；
在自由面上， ；
在地表面上， ；
（5）、不考虑摩擦及非绝热作用。
2、模式的基本方程：
地图投影坐标系下的正压原始方程如下：
空间差分格式采用二次守恒平流格式，则上式的有限差分形式为：
从而，得到正压原始方程模式的预报方程。
五点平滑处理：
地转风初值处理：
3、计算流程：
四、给出计算地转风以及五点平滑的子程序
1、五点平滑的子程序：
subroutine ssip(a,w,s,m,n,l)
integer m,n,l
integer p,q,i,j
real s
dimension a(m,n),w(m,n)
p=m-1
q=n-1
do i=2,p
do j=2,q
w(i,j)=a(i,j)+s*(a(i+1,j)+a(i,j+1)+a(i-1,j)+a(i,j-1)-4.0*a(i,j))/4.0
end do
end do
do i=2,p
do j=2,q
a(i ,j)=w(i ,j)
end do
end do
if (l/=1)then
do i=2,p
do j=2,q
w(i,j)=a(i,j)+(-s)*(a(i+1,j)+a(i,j+1)+a(i-1,j)+a(i,j-1)-4.0*a(i,j))/4.0
end do
end do
do i=2,p
do j=2,q
a(i,j)=w(i,j)
end do
end do
endif
end subroutine ssip
2、地转风初值的子程序：
subroutine cgw(ua,va,za,rm,f,d,m,n)
implicit none
integer m,n,p,q,i,j
real ua(m,n),va(m,n),za(m,n),rm(m,n),f(m,n),d
p=m-1
q=n-1
do i=1,m
ua(i,1)=-rm(i,1)*9.8*(za(i,2)-za(i,1))/(f(i,1)*d)
ua(i,n)=-rm(i,n)*9.8*(za(i,n)-za(i,n-1))/(f(i,n)*d)
do j=2,q
ua(i,j)=-rm(i,j)*9.8*(za(i,j+1)-za(i,j-1))/(2.0*f(i,j)*d)
end do
end do
do j=1,n
va(1,j)=rm(1,j)*9.8*(za(2,j)-za(1,j))/(f(1,j)*d)
va(m,j)=rm(m,j)*9.8*(za(m,j)-za(m-1,j))/(f(m,j)*d)
do i=2,p
va(i,j)=rm(i,j)*9.8*(za(i+1,j)-za(i-1,j))/(2.0*f(i,j)*d)
end do
end do
end subroutine cgw
五．试验结果及其分析
1、初始位势高度场图initialh.gmf：
2、预报位势高度场图predicth.gmf：
3、预报场与初始场的差值diffh.gmf:
六、小结与讨论
通过此次实习加强了对Fotran语言编程和GrADS绘图的熟悉以及
使用，是以后的工作生活中能够更加熟练的使用它们，同时也加强了
对正压原是方程的了解，以及五点平滑，与地转风的计算，加深了对
数值天气预报这门课的了解与掌握。此次接触到的正压原始方程模
式，算是个比较简单的模式，由于在500hPa高度上，大气是正压的，
准地转，准静力平衡的，所以大气环流的形势比较简单、稳定，所得
结果基本与现实差距不大。但是大气并没有假设的那样简单，大气是
斜压的，复杂的系统。在如今，模式正在发展中，依然无法完全描述
当前的大气变化趋势，大气内部仍然有很多机制对我们而言是未知
的。这需要我们对大气继续探索，并发展模式。
