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1、数值天气预报正压原始方程实习报告正压原始方程实习1. 实习目的与要求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。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，并写一份实习报告。2. 正压原始方程模式简介：在原始方程模式中既包含有缓慢移动的大气长波，又有快速移动的重力惯性波。因此，这种模式不但可
2、以模拟准地转演变过程，而且还可以模拟地转适应 过程。虽然此模式比准地转模式能更好的描述实际大气中的物理过程，但是在这 种模式的数值积分中也出现了一些新的亟待解决的问题。 原始方程模式中包含有快波解，为保证计算稳定，时间步长必须取得很短， 这就大大增加了计算工作量。因此，选取既能保证计算稳定、又能节省计算机时 的时间积分方案，便成为一个很重要的问题。 由于原始方程模式中时间步长必须取得很短，所以非线性计算不稳定的问 题就显得尤为突出。因此，构造性能良好的空间差分格式也就成为一个很重要的 问题。 原始方程模式要求给出多个初始条件。除了要给出初始气压场（位势高度 场）外，还必须给出初始风场等资料，如
3、果初始风压场不协调，则在积分过程中 就会产生虚假的重力惯性波。这种虚假的重力惯性波会迅速增长，把天气尺度的 波动掩盖掉，使预报遭到破坏。因此，资料的初始化也是一个相当重要的问题。 原始方程模式对边界条件也尤为敏感，要求给出适当的边界条件也很重要。基本假定：a. 大气是均匀不可压流体b. 大气处于静力平衡状态c. 上边界为自由面d. 无摩擦和绝热过程e. 正压大气基本方程：du du dudur 8八+ u + v +w一fv + =0dt dx dydpdxdv dv dvdvrd_+ u + v +w+fu+ = 0dt dx dydpdydu dv+ dx dy JdO dO dO 木dy
4、+ u + v + Odtdx地转风公式:m g dz ou.= t = 0,vu 0 = i 盘iJ_，,jf j dym g dz o:v 0 = i ,jiji，j fdxi, j技术方法：1. 为了减小模式中重力惯性外波的波速，增加差分格式的计算稳定性，把连续方程中水平散度项的系数z改为(z- z0 )，并取250dagpm。2. 时间积分方案选择：先采用欧拉-后差格式数值积分1小时，然后采用三 步法起步的时间中央差格式数值积分11小时。3. 边界采用9点空间平滑，积分12h后采用5点平滑对个要素场进行内点空 间滤波。五点平滑公式为： S /，、F xy = F + _ (F + F
5、+ F + F 4 F )i,j i ,j 4 i+1，j i，j+1 i-1，j i ,j-i i ,j4. 为了阻尼高频振荡、抑制计算解的增长，在积分6小时之后的两个连续时 间层应用时间平滑公式对个要素进行时间平滑。5. 应用二次平流守恒格式的正压原始方程模式。计算流程：N4=6始定有关常数中央逐根分半步1FA.FB)*F时FA边界平滑前差租分半步诚固定0值FA.FAFB荐FC内需平滑欧粒一后是租分一步(FAFA F&FA,FB) FA计算科氏率敌、U=Nli+】中央关根分一多(FABFC对FR时间平椅3. 程序如下A地转风：subroutine cgw(ua,va,za,rm,f,d,m
6、,n)dimensionua(m,n),va(m,n),za(m,n),rm(m,n),f(m,n)do i=2,m-1do j=2,n-1ua(i,j)=(-1)*rm(i,j)*9.8*(za(i,j+1)-za(i,j-1)/2/d/f(i,j)va(i,j)=rm(i,j)*9.8*(za(i+1,j)-za(i-1,j)/2/d/f(i,j)enddoenddoreturnendB.5点平滑：subroutine ssip(a,w,s,m,n,k,l)dimension a(m,n),w(m,n)if(l=1)thendo i=2,m-1do j=2,n-1w(i,j)=a(i,j)
7、+s*(a(i-1,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j)/4.0 enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1a(i,j)=w(i,j)enddoenddoreturnelsedo i=2,m-1do j=2,n-1w(i,j)=a(i,j)+s*(a(i-1,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j)/4.0 enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1a(i,j)=w(i,j)enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1w(i,j)=a(i,j)+(-s)*(a(i-1
8、,j)+a(i+1,j)+a(i,j-1)+a(i,j+1)-4*a(i,j)/4.0enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1a(i,j)=w(i,j)enddoenddoendifreturnend6.根据得到的数据文件画出的高度场与风场nitiol HGT目5E 9H 95fJ00D5- 10C115E120E125E13DE 135E140E145E*50图一.原始高度场yuboo HGT日旺 9DE 95iE IQOf 105 1ID 115E 1ME 12SE 13CE I JSC I40E 145E15 IK图二.预报高度场45N-40N-BSE 90E95E
9、10CE 105E HOEInitial Wind115E120E125E130E135E140E145E图三.原始风场yuboo Wind图四.预报风场150E图五.预报高度场与风矢量场合成上面的图均是500hpa 08时的要素场；结果分析：由图一和图二，图三和图四，我们可以清楚的看到：4月29日08时在鄂 霍次克海的西岸，有一个大的低压中心，其中心强度达到5250，在贝加尔湖附 近有一条大的低压槽；4月30日08时，在预报场上，鄂霍次克海西岸的低压向 东移动，到达鄂霍次克海的上空，中心强度达到5200，比29日加强，贝加尔湖 的低压槽向南，向东移动。可能造成一次冷空气的南下过程。我们拿30
10、日的预报场与30日的实况场（书本上）做一下对比，可以看到 预报场的低压中心偏北大概偏5个纬距左右，有较大的偏差，模拟效果很不好； 但是，贝加尔湖附近的低压槽预报场与实况场非常的近似，故而模拟效果较好。 而我们需要做对中国的预报，影响系统主要是贝加尔湖地区的低压槽影响，所以 对整个预报来说，还是有很好的参考价值的。5.小结通过这次实习，加强了我对于整个正压原始模式的整个计算流程的认识，而且 通过这次实习我的编程与分析能力也得到了很大的加强，与此同时，也加深了对 数值预报理论的理解和认识。我也了解到数值预报需要处理的一些问题，以及我 们需要面对的问题和如何解决这些问题.并且可以知道我们需要在哪些方面服出 更多的努力.
