1、ECMWF 数值预报模式简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介ECMWF 数值预报模式简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介气象预报的四个方面问题*当前的天气或气候信息完备的综合观测系统完善的观测系统；资料信息识别；资料的综合处理（同化）*天气或气候的演变规律从资料得到新认识从资料得到新认识；反映大气运动数学物理规律的微分方程组。*外力和强迫的变化地形和边界强迫；太阳常数；引力等*从已知预报未来的手段完备的数值模 式；承载数值模式计算、显示和通讯平台 驾驭观测、资料分析和数值模式发展和应 用的人才队伍ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模
2、式简介大气圈大气圈水圈水圈冰晶圈冰晶圈/冰冻圈冰冻圈生物圈生物圈岩石圈岩石圈人类圈人类圈ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介纷繁多样数值预报产品-什么会有差别？ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介l 分辨率不同l 模式的表述的物理过程有差异l 计算方案、网格、变量分布等再分析资料分析的初值能代表大气实况吗？ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Orography and ResolutionsGSM T213(60km)RSM(20km)MSM(10km)Orographic effects are better captured by
3、 higher resolution models.The surface parameters such as Tsurf might be predicted more realistically by those models.ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介ECMWF 致力于2016-2025 数值预报发展战略：l 利用集合预报方法提前2周预报高影响天气事件l 提前4周，无缝隙地预报大尺度系统形势和系统移动l 提前1年预测全球范围的异常状况 ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介l 研究和更丰富的知识l基于集合预报的分析和预报技术如何实现目标：
4、如何实现目标：Observations High resolution ensemble Earth-system Scalability Funding People（引自 Erland Klln，“Earth system modelling for seamless prediction”ECMWF Annual Seminar 2016）ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Future Earth System model and assimilation developmentsErland Klln,ECMWFECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式
5、简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Ocean model(NEMO)Wave model(ECWAM)Atmosphericmodel(IFS)All configurationsEnsemble FCTowards a fully coupled system(currently only operational in EPS)ORCA1_Z42TCo1279/TCo63914km/28km9km/18kmEnsemble systems only:-Medium range forecast-Monthly forecast-Seasonal forecast E
6、veryIFStime stepEverycouplingtime step(1 or 3 hours)Single executableECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Ocean model(NEMO)Wave model(ECWAM)Atmosphericmodel(IFS)All configurationsEnsemble FCTowards a coupled systemORCA1_Z42TCo1279/TCo63914km/28km9km/18kmSingle executableOperationalfrom day 0 since 2013ECMWF
7、ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Ocean model(NEMO)Wave model(ECWAM)Atmosphericmodel(IFS)Ice model(LIM)All configurationsEnsemble FCfuture operationalTowards a coupled systemORCA0.25 _Z75Addingactive sea ice modelImplementation:End 2016.Single executableECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介1515*Calling sequence of the s
8、ingle executableSimplified flow chart of the coupled model,here two time steps are shown.In reality,IFS/WAM coupling every IFS time step,butCall to NEMO every hour(or 3 hours)with averaged accumulated fluxes.ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Impact of Resolution on tropical cyclone forecastFor instance Ty
9、phoon Haiyan:forecasts from 4th,5th and 6th November 2013,0 UTCall from operational analysis.Black:estimated from observationsRed:old operational Ensemble resolution (32 km)Blue:old operational HRES configuration(16 km)Green:experimental:new HRES configuration(10km)minMSLP (hPa)900950Typhoon Haiyan
10、at peak intensity on November 7,2013ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Impact of Coupling on tropical cyclone forecastFor instance Typhoon Neoguri:forecasts from 6 July 2014,0 UTCBlack:estimated from observationsGreen:old operational HRES configuration(uncoupled)(16km)Red:experimental:16km coupled to NEMO(
11、ORCA025_Z75)Blue:16km coupled to NEMO+new physicsminMSLP (hPa)900950Neoguri affecting Okinawa on July 8,2014*Climate reanalyses for the coupled earth modelECMWF coupled Earth model for medium-range weather forecastingNew coupled assimilation system(CERA)for the coupled Earth model:atmospheric and oc
12、ean observations assimilated simultaneouslyocean observations can impact atmospheric estimate and converselyCERA-20C reanalysis in production(1900-2010)Karl and Trenberth 2003landwavessea iceatmosphereoceansECMWF coupled Earth modelCoupled assimilation system(CERA)EDA variational approach with a 24-
13、hour window that assimilates simultaneously atmospheric and ocean observationscoupled model computes observation misfits in each outer iterationatmospheric and ocean increments are computed in parallel to correct the initial stateSST computed in NEMO and constrained by relaxationanalysis dynamically
14、 consistent with respect to the coupled modelECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介Conclusions:ECMWF has a coupled atmosphere-wave-ocean circulation forecasting system,currently operational in the Ensemble Prediction System.Work is ongoing on using a higher resolution ocean components(ORCA025z75)planned for e
15、nd of 2016 in the Ensemble forecasts and later in the High resolution system.There is a clear benefit in coupling the different models,but it creates new challenges in determining what physical parameters need to be exchanged.Furthermore,model parameterisations might need revisiting.ECMWF ECMWF 数值预报
16、模式简介数值预报模式简介EC模式动力框架垂直采用坐标，U=ucos ；V=vcosECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介对比球坐标系中的基本方程组)(cos0)1cos1(1tan1tancos122222VtzwavautdtdRTpQdtdppRTdtdTcrrwrvrurdtdFrvugufrpdtdwFrvwrufuprdtdvFruwruvwffvprdtdupr曲率项ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介重力不是指向地心，等位势面也不是
17、球面。ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介非静力学模式 静力学模式DIFCQdtdzwyvxutRTpwDIFgzpdtdwvDIFypdtdvuDIFxpdtdup0111TpppCR001gzp静力学平衡：运动的垂直尺静力学平衡：运动的垂直尺度远小于水平尺度的情况下度远小于水平尺度的情况下成立成立模式的分类ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介基于连续方程的模式分类非静力学模式根据模式中是否包含声波，分为：滞（非）弹性（anelastic)模式 假定大气不可压，滤掉声波 弹性(elastic)模式 大气可压、由散度预报气压的变化，但声波 需要特殊的处理
18、 ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介根据连续方程的近似程度，滞弹性和弹性模式又可进行不同的分类：滞弹性模式不可压缩模式滞弹性模式弹性模式准可压模式完全可压模式0zwyvxu0zwyvxu0zwyvxut0zwyvxutECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介数值计算方案大气运动方程组是一套复杂的非线性方程组，目前，还没有理论解存在，只能借助数值方法求解。数值方法有很多，目前气象上用的主要用的是差分方法、谱方法、有限元法等。：就是在离散的网格点上，以差商代替微商，求解微分方程的方法。ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*关于有限差分与谱方
19、法的图例 有限差分有限差分谱方法谱方法ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介|n-1 n n+1 从物理上考虑，差分的精度还与采样点密即网格，与要素在采样区的变化分布有关。即采样数据是否能有代表性。中央差精确值采样值混淆误差ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介离散网格所能表示的最短波长离散网格所能表示的最短波长上表中当L/x=2时，即两倍格距波，R=0，误差100%，因此，离散网柜完全不能表示两倍格距以下的短波。如格距为100km，则你只能预报出200km以上的天气系统。1.5倍格距波3倍格距波最短的
20、波，2倍格距波1.5倍格距波被当成3倍格距的波混淆误差会把小于2倍格距的波歪曲为2倍格距以上的波。因此混淆误差主要集中在24倍格距间。预报员会在什么情况下遇到预报员会在什么情况下遇到“混淆误差混淆误差”？ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介拉格朗日和半拉格朗日方法0u拉格朗日和半拉格朗日方法拉格朗日和半拉格朗日方法是从另外一个角度来求取平流方程的解。有解析解：不失一般性，考虑 情况下平流方程的解。可以证明下述两个式子是成立的：),()1()(),(100niiinittuxctnutuxctunxctxc拉格朗日方法的基础),()()1(),(001niiinittuxct
21、untuxctnuxctxc半拉格朗日方法的基础Think of measuring the temperature:Lagrangian:in a balloon,floating with the windEulerian:on the ground,wind blows past0 xcutc)(),(0utxctxcECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介半拉格朗日方法的精度依赖于DP的精度，还依赖于值路径 ttudtsuuttt中间值中值中值定理ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介球坐标系中
22、运动方程的分量形式1或0地转偏向力修正开关，曲率项开关；静力或非静力开关；tantancos222MNHrMpNHMpMpFrvugufrpcdtdwFrvwrufurcdtdvFruwruvwffvrcdtduECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介二、热力学方程和连续方程rurrvrurVDFQdtdpdtdTcVdtdTTp2231coscos1cos10ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介FDdtdFDdtddtdDdtddtddtpd
23、DdtTddtpdDdtd33333)1(lnlnlnlnlnlnlnln连续方程ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介GRAPES方程组RTpFdtdFDdtdFrvugufrpcdtdwFrvwrufurcdtdvFruwruvwffvrcdtdurMpNHMpMp3222)1(tantancosECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*ECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介GRAPES方程组RTpFdtdFDdtdFrvugufzpzzcdtdwFrvwrufuzzzzrcdtdvFruwruvwffvzzzzrcdtdurMstpNH
24、MsszpMsszp3222)1(tan)(tan)(cosECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介*azvazuzvzvzzzwzzzzzzdtddtzdwssshhshhststsstcosazvazuwssssscosECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介引入参考大气：且满足静力平衡关系。的函数，即参考大气，只是高度)(),()(),()(pcgzTRpgzpzzztzyxzECMWF ECMWF 数值预报模式简介数值预报模式简介线性项分解：（U方程为例）：uuuMsszpusszpsszpusszpsszpsszpsszpsszpNLdtduFruwruvzxzzzxcNwffvzxzzzczxzzzxcLzxzzzxczxzzzczxzzzxczxzzzxczxzzzxctan)()()(-令)()()()()(
