수치 기상 예측

수치 기상 예측은 관측된 초기 상태로부터 대기, 습기, 에너지를 격자점별로 컴퓨터에서 지배 방정식을 풀어 시뮬레이션하여 미래를 예측합니다.

Definition

수치 기상 예측은 분석된 초기 상태로부터 대기 운동 및 열역학의 이산화된 방정식을 시간적으로 수치적으로 통합하여 날씨를 예측하는 방법입니다.

Scope

이 주제는 예측을 위한 대기 모델의 공식화에 대해 다룹니다. 즉, 원시 방정식의 격자 또는 스펙트럼 기반으로의 이산화, 해결된 흐름을 진행시키는 동역학 코어, 대류, 구름, 복사, 난류와 같은 미해결 과정을 나타내는 매개변수화, 그리고 관련된 해상도 및 계산상의 절충을 포함합니다.

Core questions

• 연속적인 지배 방정식이 어떻게 계산 가능한 모델로 전환됩니까?
• 동역학 코어는 무엇이며, 해결된 흐름을 어떻게 진행시킵니까?
• 대류 및 복사와 같은 미해결 과정은 어떻게 매개변수화됩니까?
• 격자 해상도와 수치적 안정성이 예측을 어떻게 제약합니까?

Key theories

원시 방정식 모델링

운영 예측 모델은 유체 및 열역학 법칙의 정역학적 및 필터링된 형태인 원시 방정식을 공간과 시간으로 이산화하여 온도, 바람, 압력 및 습도를 진행시킵니다.

물리적 매개변수화

모델 격자에서 해결하기에는 너무 작은 과정들, 예를 들어 적운 대류, 구름 미세물리, 복사, 경계층 난류 등은 해결된 변수로부터 순 효과를 추정하는 매개변수화 체계에 의해 표현됩니다.

Mechanisms

수치 모델은 이산 격자점 또는 스펙트럼 계수에서의 값으로 대기를 나타내고, 시간 단계와 격자 간격을 연결하는 안정성 한계에 따라 유한 차분, 유한 체적 또는 스펙트럼 방법으로 이들을 진행시킵니다. 동역학 코어는 이류, 압력 경도 및 코리올리 효과를 처리하며, 매개변수화는 격자가 해결할 수 없는 대류, 구름, 복사, 표면 플럭스 및 난류로부터의 경향을 제공합니다. 해상도가 높을수록 더 많은 현상을 포착하지만 계산 비용이 증가합니다.

Clinical relevance

수치 기상 예측은 현대 운영 예측의 핵심 동력으로, 대중, 항공, 해양 및 악천후 예측 뒤에 있는 지침을 제공합니다. 모델 해상도 및 물리학의 발전은 예측 기술을 꾸준히 확장해 왔으며, 이제는 기후 예측 및 환경 예측도 지원합니다.

History

리처드슨은 1920년대에 제한적인 성공을 거두며 수동으로 수치 예측을 스케치했습니다. 이 분야는 1950년경 ENIAC에서 Charney, Fjortoft, von Neumann이 바르트로픽 와도 방정식의 첫 컴퓨터 예측을 생성하면서 실용화되었으며, 이후 모델은 단일층에서 다단계 원시 방정식 시스템으로 발전하며 더욱 정교한 물리학을 포함하게 되었습니다.

Key figures

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

Seminal works

• kalnay2003
• charney1950

Frequently asked questions

기상 모델과 예측의 차이점은 무엇입니까?

기상 모델은 대기 방정식을 푸는 컴퓨터 프로그램이며, 예측은 특정 실행을 통해 생성되는 결과물로, 기상학자가 다른 모델과 함께 해석한 후 예보를 발표합니다.

모델이 일부 과정을 매개변수화해야 하는 이유는 무엇입니까?

개별 구름 및 난류 와류와 같은 중요한 과정은 모델의 격자 간격보다 훨씬 작기 때문에 직접 해결할 수 없습니다. 대신 매개변수화는 해결된 규모 흐름에 대한 이들의 집합적 효과를 추정합니다.