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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，
2、这种模式不但可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，如果初始
3、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： yvxuyvxut fpwtvxvuyxu0地转风公式：xzfgmvyfut jijijijii,j jijijijii,j 0,0, 0,0, 0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
4、的系数 z 改为（z- z 0 ） ，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： )4(4 ,1,1,1, jijijijijijixyji FFFSF 4. 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： 3.程序如下A.地转风：subroutine cgw(ua,v
5、a,za,rm,f,d,m,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
6、-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)/4.0enddoenddodo 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)/4.0enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1a(i,j)=w(i,j)enddoenddodo i=2,m-1do j=2,n-1 w(i,j)=a(i
7、,j)+(-s)*(a(i-1,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 图一.原始高度场图二.预报高度场 图三.原始风场图四.预报风场 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
8、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 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.
