Numerische Wettervorhersage

Die numerische Wettervorhersage prognostiziert die Atmosphäre, indem sie deren maßgebliche Gleichungen auf einem Computer löst und die simulierte Luft, Feuchtigkeit und Energie Gitterpunkt für Gitterpunkt von einem beobachteten Ausgangszustand aus vorwärtsbewegt.

Definition

Numerische Wettervorhersage ist die Praxis der Wettervorhersage durch numerische Integration der diskretisierten Gleichungen der atmosphärischen Bewegung und Thermodynamik über die Zeit, ausgehend von einem analysierten Anfangszustand.

Scope

Dieses Thema behandelt die Formulierung atmosphärischer Modelle für die Vorhersage: die Diskretisierung der primitiven Gleichungen auf Gittern oder Spektralbasen, den dynamischen Kern, der die aufgelöste Strömung vorantreibt, die Parametrisierungen, die unaufgelöste Prozesse wie Konvektion, Wolken, Strahlung und Turbulenz darstellen, sowie die damit verbundenen Kompromisse bei Auflösung und Rechenleistung.

Core questions

• Wie werden die kontinuierlichen maßgeblichen Gleichungen in ein berechenbares Modell umgewandelt?
• Was ist ein dynamischer Kern und wie treibt er die aufgelöste Strömung voran?
• Wie werden unaufgelöste Prozesse wie Konvektion und Strahlung parametrisiert?
• Wie schränken Gitterauflösung und numerische Stabilität Vorhersagen ein?

Key theories

Modellierung mit primitiven Gleichungen

Operationelle Vorhersagemodelle integrieren die primitiven Gleichungen, die hydrostatische und gefilterte Form der Fluid- und thermodynamischen Gesetze, die räumlich und zeitlich diskretisiert werden, um Temperatur, Wind, Druck und Feuchtigkeit voranzutreiben.

Physikalische Parametrisierung

Prozesse, die zu klein sind, um auf dem Modellgitter aufgelöst zu werden, wie Kumuluskonvektion, Wolkenmikrophysik, Strahlung und Grenzschichtturbulenz, werden durch Parametrisierungsschemata dargestellt, die ihren Nettoeffekt aus den aufgelösten Variablen abschätzen.

Mechanisms

Ein numerisches Modell stellt die Atmosphäre durch ihre Werte an diskreten Gitterpunkten oder Spektralkoeffizienten dar und entwickelt diese mit Finite-Differenzen-, Finite-Volumen- oder Spektralmethoden weiter, unter Berücksichtigung von Stabilitätsgrenzen, die den Zeitschritt mit dem Gitterabstand verknüpfen. Der dynamische Kern behandelt Advektions-, Druckgradienten- und Corioliseffekte, während Parametrisierungen die Tendenzen aus Konvektion, Wolken, Strahlung, Oberflächenflüssen und Turbulenz liefern, die das Gitter nicht auflösen kann. Eine höhere Auflösung erfasst mehr Phänomene, vervielfacht jedoch den Rechenaufwand.

Clinical relevance

Die numerische Wettervorhersage ist der Motor der modernen operationellen Vorhersage und liefert die Grundlage für öffentliche, Luftfahrt-, Marine- und Unwettervorhersagen; Fortschritte in der Modellauflösung und -physik haben die Vorhersagegüte stetig verbessert und unterstützen nun auch Klimaprojektionen und Umweltvorhersagen.

History

Richardson skizzierte in den 1920er Jahren numerische Vorhersagen von Hand mit begrenztem Erfolg; das Feld wurde praktisch, als Charney, Fjortoft und von Neumann um 1950 die erste Computervorhersage der barotropen Vorticity-Gleichung auf ENIAC erstellten, wonach sich die Modelle von einschichtigen zu mehrschichtigen Systemen mit primitiven Gleichungen und immer ausgefeilterer Physik entwickelten.

Key figures

• Lewis Fry Richardson
• Jule Charney
• John von Neumann
• Norman Phillips

Seminal works

• kalnay2003
• charney1950

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Wettermodell und einer Vorhersage?

Ein Wettermodell ist das Computerprogramm, das die atmosphärischen Gleichungen löst; eine Vorhersage ist die Ausgabe, die es für einen bestimmten Lauf erzeugt, die ein Meteorologe dann interpretiert, oft zusammen mit anderen Modellen, bevor er eine Prognose erstellt.

Warum müssen Modelle einige Prozesse parametrisieren?

Wichtige Prozesse wie einzelne Wolken und turbulente Wirbel sind viel kleiner als der Gitterabstand eines Modells, sodass sie nicht direkt aufgelöst werden können; Parametrisierungen schätzen stattdessen ihren kollektiven Effekt auf die Strömung im aufgelösten Maßstab ab.