数值天气预报实习.docx

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数值天气预报实习

数值天气预报实习

题目：

正压原始方程模式实习报告

院系：

xxxx学院.

专业年级：

xxxx专业.

班级：

xxxx级x班.

姓名：

步留情.

一、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500百帕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500百帕位势高度场和风场的预报，并写一份实习报告。

二、模式的主要计算框图

三、实习任务

编写2个子程序：

五点平滑子程序、地转风初值子程序

先编写五点平滑的子程序，在保证能够得到正确结果的前提下，再去编写地转风初值的子程序。

所用公式：

两个子程序编写完成并保证正确的前提下，还需要做4个数值试验：

1）只做正平滑和做正逆平滑的对比试验；

2）地转风子程序中不同差分格式的数值试验；

3）是否做边界平滑和内点平滑的数值试验；

4）是否做时间平滑的数值试验。

四、实习程序（自己编制的子程序）

地转风初值的子程序

subroutinecgw（ua,va,za,rm,f,d,m,n）

dimensionua（m,n）,va（m,n）,za（m,n）,rm（m,n）,f（m,n）

doi=1,m

ua（i,1）=-rm（i,1）/f（i,1）*9.8/d*（za（i,2）-za（i,1））

ua（i,n）=-rm（i,n）/f（i,n）*9.8/d*（za（i,n）-za（i,n-1））

doj=2,n-1

ua（i,j）=-rm（i,j）/f（i,j）*9.8/2/d*（za（i,j+1）-za（i,j-1））

enddo

enddo

doj=1,n

va（1,j）=rm（1,j）/f（1,j）*9.8/d*（za（2,j）-za（1,j））

va（m,j）=rm（m,j）/f（m,j）*9.8/d*（za（m,j）-za（m-1,j））

doi=2,m-1

va（i,j）=rm（i,j）/f（i,j）*9.8/2/d*（za（i+1,j）-za（i-1,j））

enddo

enddo

return

end

区域内5点平滑（正逆平滑）的子程序，l=1为只执行正平滑，l=2为执行正逆平滑.

subroutinessip（a,w,s,m,n,l）

dimensiona（m,n）,w（m,n）

do10i=2,m-1

do10j=2,n-1

10w（i,j）=a（i,j）+s*0.25*（a（i-1,j）+a（i+1,j）+a（i,j-1）+a（i,j+1）-4*a（i,j））

a（2:

m-1,2:

n-1）=w（2:

m-1,2:

n-1）

if（l==2）then

do20i=2,m-1

do20j=2,n-1

20w（i,j）=a（i,j）-s*0.25*（a（i-1,j）+a（i+1,j）+a（i,j-1）+a（i,j+1）-4*a（i,j））

a（2:

m-1,2:

n-1）=w（2:

m-1,2:

n-1）

endif

return

end

ctl文件：

DSETH:

\shuzhishixi\duizhao\h.grd

TITLE500hpaheight

UNDEF-9990.0

XDEF20LINEAR853.5

YDEF16LINEAR32.52.5

ZDEF1linear11

TDEF2LINEAR00Z29apr197324hr

VARS1

h099500

ENDVARS

绘图gs文件

'reinit'

'openh:

\shuzhishixi\duizhao\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan1\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan2\hou\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan2\qian\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan2\wu\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan3\bs\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan3\nbns\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan3\ns\HUV.CTL'

'openh:

\shuzhishixi\shiyan4\HUV.CTL'

'setccolor1'

'setcstyle1'

'setcthick6'

'dh.1（t=1）'

'printimH:

\shuzhishixi\duizhao1.pngwhite'

'c'

'setccolor1'

'setcstyle1'

'setcthick6'

'dh.1（t=2）'

'printimH:

\shuzhishixi\duizhao2.pngwhite'

'c'

'setccolor1'

'setcstyle1'

'setcthick6'

'dh.1（t=1）'

'setccolor1'

'setcstyle6'

'setcthick5'

'dh.1（t=2）'

'printimH:

\shuzhishixi\duizhao1-2.pngwhite'

'c'

i=2

while（i<10）

'setgxoutcontour'

'setccolor1'

'setcstyle1'

'setcthick6'

'dh.'i'（t=2）'

'printimH:

\shuzhishixi\'i'.pngwhite'

'setccolor1'

'setcstyle6'

'setcthick5'

'dh.1（t=2）'

'printimH:

\shuzhishixi\'i'-duizhao.pngwhite'

'c'

'setgxoutshaded'

'dabs（h.'i'（t=2）-h.1（t=2））'

'cbar1.00'

'setgxoutcontour'

'setccolor1'

'setcstyle1'

'setcthick6'

'dh.'i'（t=2）'

'printimH:

\shuzhishixi\'i'wucha-duizhao.pngwhite'

'c'

i=i+1

endwhile

'setfwriteh:

\shuzhishixi\wucha.grd'

i=2

while（i<10）

'setgxoutfwrite'

'daave（abs（（h.'i'（t=2）-h.1（t=2）））,lon=85,lon=155,lat=32.5,lat=72.5）'

i=i+1

endwhile

'disablefwrite'

'reinit'

读取fwrite的f90程序

programwuchagrd

realwucha（8）

open（1,file='H:

\shuzhishixi\wucha.grd',form='binary'）

read

（1）wucha

close

（1）

print*,wucha

end

五、结果（图形）及其分析

初始场图

预报结果图

与初始场之间的对比图（实线初始场，点划线为预报场）

从图上可以看出，系统整体的在东移。

29日鄂霍次克海西安有一个低压中心，强度在5250左右，贝加尔湖以北有低槽，贝加尔湖位于槽前。

30日预报场，东边的低压中心向东移动大约5度，到达鄂霍次克海上空，并且中心强度加强，下降到5200左右，贝加尔湖槽向南、向东移动，贝加尔湖位于槽后。

贝湖槽的移动可能会引起冷空气南下。

实验图与预报场之间差值绝对值的分布图（阴影填色部分为差值大小（实验场减对照场），实线为实验预报图，长虚线为对照图）

1）只做正平滑和做正逆平滑的对比试验；

只做正平滑

由1）图可知，整体偏差不大，在槽脊处的差值相对较大。

最大差值绝对值达到50位势米。

特点一：

在气旋性曲率处相对正逆平滑的结果而言要大，反气旋性曲率处相对正逆平滑的结果而言要小。

这说明正逆平滑对长波振幅的衰减比只做一次正平滑得对长波整幅的衰减要小。

特点二：

而且在图中可以看出，波长较长的波的振幅差别不是很大，波长在2倍格距（5个经度）到8倍格距（20个经度）之间的波的振幅差别就比较大了。

上述两个特点符合响应函数的图像特征

2）地转风子程序中不同差分格式的数值试验；

1、内点全部用后差格式计算

2、内点全部用前差格式计算

3、次外层点用中央差格式计算，内层点用四阶精度的五点差分格式计算。

由2）1、2图可以看出由后差格式与前差格式得出的初始风场作出的预报场与对照场之间的差距还是比较明显的，后差在-40到+100之间，前差在-100到+40之间，而五点差分格式得出的初始风场作出的预报场与对照场之间的差距几乎为零。

可以看出后差与前差的结果中，由于精度不高，截断误差较大，激发了许多快波，在边界处尤其明显。

值得一提的是，后差、前差分别与对照场的差值，在空间上的分布相当一致，在数值上，在对应格点的绝对值大小几乎相同，符号相反。

由四阶精度的五点差分方案作出的初值场得出的实验结果与二阶精度的中央差格式的得出的对照场结果可以说是完全一样，说明在风场初始化方面，二阶精度的差分格式已经足够了。

3）是否做边界平滑和内点平滑的数值试验；

1、只做边界平滑，不做内点平滑

2、不做内点平滑也不做边界平滑

3、只做内点平滑，不做边界平滑

从3）1、2、3的图可以看出，不做内点平滑的影响相对较小，不做边界平滑则影响非常大。

内点平滑是为了滤除短波波动，抑制计算解增长，从3）1、的图可以看出，不做内点平滑，对整体环流形势影响较小，但差值阴影图中会有布满全图的相互之间间隔5五个经纬度的小块正负值区域，且正值区与负值区相间分布，相邻的正负值区域数值的绝对值很接近。

越靠近途中央，正负值区数值的绝对值大小越大。

从3）2、3可以看出，仅仅不做边界平滑，由固定边界条件引起的边界点与内点之间的要素梯度对结果的影响非常大，激发的快波振幅较大，数量较多，差值分布从-120到+80都有。

不做边界平滑也不做内点平滑得出的结果与仅仅不做边界平滑得出的结果相似，在差值大小向上，边界、内点平滑都不做的结果更大一些，从-150到+120.

4）是否做时间平滑的数值试验。

不做时间平滑

时间平滑的目的是阻尼高频振荡，抑制计算解增长，从4）图可以看出，不做时间平滑，对整体形势影响较小，差值分布从-9到+15。

各个实验的差值/差值绝对值以面积为权重的平均结果（单位：

位势米）

1）只做正平滑和做正逆平滑的对比试验；

0.7436748/5.171194

2）地转风子程序中不同差分格式的数值试验；

1、内点全部用后插格式计算

5.635431/17.05854

2、内点全部用前插格式计算

-5.526467/17.96309

3、次外层点用中央差格式计算，内层点用四阶精度的五点差分格式计算。

0.0000000E+00/0.0000000E+00

3）是否做边界平滑和内点平滑的数值试验；

1、只做边界平滑，不做内点平滑

-0.061916102/5.058856

2、不做内点平滑也不做边界平滑

6.993883/34.08777

3、只做内点平滑，不做边界平滑

5.259184/27.85711

4）是否做时间平滑的数值试验。

-1.323557/2.804939

六、小结与讨论

（按整体差值大小从小到大描述）

五点差分方案的结果几乎没有差距；

不做时间平滑的影响在短时间内（因为积分时间跨度不是很长，只能说在短时间内影响很小）很小；

只做正平滑，对长坡振幅有一定的衰减，影响较小；

不做内点平滑，整体影响较小，其中差值以面积为权重的平均结果只有0.061916102，在数值上说明了正值区与负值区相间分布很有规律；

从前差后差的实验结果来看，初始场差分精度对预报结果的影响较大；

边界平滑对正压原始方程模式的数值预报结果影响非常大！

一些值得注意的地方：

（1）后差、前差分别与对照场的差值，在空间上的分布相当一致，在数值上，在对应格点的绝对值大小几乎相同，符号相反。

（2）不做内点平滑的差值阴影图中会有布满全图的相互之间间隔5五个经纬度的小块正负值区域，且正值区与负值区相间分布，相邻的正负值区域数值的绝对值很接近。

越靠近途中央，正负值区数值的绝对值大小越大。

为什么会出现这两种差值分布特征，是由什么原因引起的，内在原理是什么，是特例还是普遍情况，还有待进一步研究。