Dự báo thời tiết số trị

Dự báo thời tiết số trị dự báo khí quyển bằng cách giải các phương trình chi phối của nó trên máy tính, mô phỏng không khí, độ ẩm và năng lượng tiến lên từng điểm lưới từ trạng thái bắt đầu được quan sát.

Definition

Dự báo thời tiết số trị là thực hành dự báo thời tiết bằng cách tích hợp số trị các phương trình rời rạc của chuyển động khí quyển và nhiệt động lực học theo thời gian từ một trạng thái ban đầu đã được phân tích.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc xây dựng các mô hình khí quyển để dự báo: việc rời rạc hóa các phương trình nguyên thủy thành lưới hoặc cơ sở phổ, lõi động lực học làm tiến triển dòng chảy đã được giải quyết, các tham số hóa đại diện cho các quá trình chưa được giải quyết như đối lưu, mây, bức xạ và nhiễu loạn, cũng như độ phân giải và các đánh đổi tính toán liên quan.

Core questions

• Làm thế nào các phương trình chi phối liên tục được biến thành một mô hình có thể tính toán được?
• Lõi động lực học là gì và nó làm thế nào để làm tiến triển dòng chảy đã được giải quyết?
• Các quá trình chưa được giải quyết như đối lưu và bức xạ được tham số hóa như thế nào?
• Độ phân giải lưới và sự ổn định số trị hạn chế các dự báo như thế nào?

Key theories

Mô hình hóa phương trình nguyên thủy

Các mô hình dự báo hoạt động tích hợp các phương trình nguyên thủy, dạng thủy tĩnh và đã lọc của các định luật chất lỏng và nhiệt động lực học, được rời rạc hóa trong không gian và thời gian để làm tiến triển nhiệt độ, gió, áp suất và độ ẩm.

Tham số hóa vật lý

Các quá trình quá nhỏ để giải quyết trên lưới mô hình, chẳng hạn như đối lưu tích mây, vi vật lý mây, bức xạ và nhiễu loạn lớp biên, được đại diện bởi các sơ đồ tham số hóa ước tính hiệu ứng tổng thể của chúng từ các biến đã được giải quyết.

Mechanisms

Một mô hình số trị đại diện cho khí quyển bằng các giá trị của nó tại các điểm lưới rời rạc hoặc các hệ số phổ và tiến chúng về phía trước bằng các phương pháp sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn hoặc phổ, tuân theo các giới hạn ổn định liên kết bước thời gian với khoảng cách lưới. Lõi động lực học xử lý các hiệu ứng đối lưu, gradient áp suất và Coriolis, trong khi các tham số hóa cung cấp các xu hướng từ đối lưu, mây, bức xạ, thông lượng bề mặt và nhiễu loạn mà lưới không thể giải quyết. Độ phân giải cao hơn nắm bắt được nhiều hiện tượng hơn nhưng làm tăng chi phí tính toán.

Clinical relevance

Dự báo thời tiết số trị là động lực của dự báo hoạt động hiện đại, cung cấp hướng dẫn đằng sau các dự báo công cộng, hàng không, hàng hải và thời tiết khắc nghiệt; những tiến bộ trong độ phân giải và vật lý của mô hình đã liên tục mở rộng kỹ năng dự báo và hiện cũng hỗ trợ dự báo khí hậu và dự báo môi trường.

History

Richardson đã phác thảo dự báo số trị bằng tay vào những năm 1920 với thành công hạn chế; lĩnh vực này trở nên khả thi khi Charney, Fjortoft và von Neumann tạo ra dự báo máy tính đầu tiên về phương trình xoáy barotropic trên ENIAC vào khoảng năm 1950, sau đó các mô hình phát triển từ hệ thống phương trình nguyên thủy một lớp thành đa lớp với vật lý ngày càng tinh vi hơn.

Key figures

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

Seminal works

• kalnay2003
• charney1950

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa mô hình thời tiết và dự báo là gì?

Mô hình thời tiết là chương trình máy tính giải các phương trình khí quyển; dự báo là kết quả đầu ra mà nó tạo ra cho một lần chạy cụ thể, sau đó một nhà khí tượng học sẽ diễn giải, thường là cùng với các mô hình khác, trước khi đưa ra một dự đoán.

Tại sao các mô hình phải tham số hóa một số quá trình?

Các quá trình quan trọng như các đám mây riêng lẻ và các xoáy nhiễu loạn nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách lưới của mô hình, vì vậy chúng không thể được giải quyết trực tiếp; các tham số hóa ước tính hiệu ứng tập thể của chúng lên dòng chảy ở quy mô đã được giải quyết thay vào đó.