论文总字数：21064字

摘 要

气象活动会对人们的生活方式产生深远的影响，如何获得精确的气象数据是各国气象局一直努力的方向。本文选取最受关注的温度场开展用物理原理精细化温压湿空间数值预报产品研究。通过获取T639中尺度数值预报模型的输出数据，根据傅立叶定律，使用有限元差分的方法对空间数值预报模型的输出网格进行精细化处理，使输出结果由原来的输出分辨率获得更精确的目标分辨率。在对比检验的基础上，可以得出无论是通过MATLAB自带的函数进行线性插值还是通过物理原理将数值预报产品的输出进行精细化处理，都能够使得温度图能够在一个更高的分辨率下得到更加清楚的显示。论文分别选取武汉地区和中国南海区域实现了温度场的精细化，得到了武汉地区普通插值、基于物理原理插值精细化的结果，研究了它们的差别及与实测数据的差别。通过与实际温度相对比可以发现，通过物理原理精细化处理后的预报温度较为准确，证实了要得到需要精度的精细化的预报结果，需要研究设计物理原理并用于预报产品的精细化。

关键词：数值预报产品；精细化；傅立叶定律

Abstract

Meteorology activities will do great impact on people’s lifestyle. How to obtain accurate meteorological data is the direction that national meteorological bureaus have been working hard on. In this paper, the research on refined temperature, pressure and humidity spatial numerical prediction will be launched in the temperature field which is the most concerned in meteorology. The target is to get the output result can obtain more accurate resolution by Fourier’s Law using finite element difference method according to the output of T639 mesoscale numerical prediction model. On the basis of comparative tests, we could see the temperature map that can be displayed more clearly at a higher resolution, whether through linear interpolation with MATLAB’s own functions or through fine processing of the output of numerical prediction products based on physical principles. The temperature field in Wuhan area and the south China sea area along the coast of Guangdong province were refined respectively, and the results of ordinary interpolation and interpolation refinement based on physical principles in Wuhan area were obtained. The differences between them and the measured data were studied. Compared with the actual temperature, the predicted temperature becomes more accurate. It’s proved that in order to obtain accurate prediction results, it’s necessary to study the physical principles involved and apply them to the refinement of prediction products.

Key Words: Fourier’s Law; refine output; numerical forecast products

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.3本文主要内容 4

第2章 T639数值预报系统数据的处理 6

2.1 T639的基本含义和主要内容 6

2.2 资料的获取和整理 7

2.2.1 获取和整理数据文件 7

2.2.2 绘制气象图 9

2.3 本章小结 12

第3章 用物理原理精细化输出及对比 13

3.1 线性插值处理数据 13

3.2 使用傅立叶定律进行插值获取数据 14

3.3 获取的数据整理与对比 16

3.3.1 武汉地区数据整理与对比 16

3.3.2 雷州半岛地区数据整理与对比 19

3.4 本章小结 20

第4章 结论 21

参考文献 22

附录 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

气象活动与人们的生活联系得非常紧密，随着全球气候变化的加剧，越来越多的极端天气如低温、短时强降水、高温等现象发生，天气预报也越来越受到广大民众的关注度，因为人们的生产生活会受到各种天气因素的影响。而在各个气象要素中，气温变化的影响是最为让人敏感的，也是最令人关注的气象要素之一。由于温度是构成天气预报的重要要素，它自然备受关注。气温不仅在干旱、霜冻等灾害性天气的发生和发展中扮演着重要的角色，而且是国家农业、林业以及畜牧业等部门判断灾情的重要指标，日常生活指数大发布、极端的温度预警等公共预报服务都需要基于精准的温度预报作为基础。提前24小时的准确的气温预报，在一定程度上可以指导人们的出行和工作安排。因此气象事业发展的必然趋势就是要对温度的精细化天气预报方法进行更进一步的研究和实践。

温度的预测会随着温度变化的两种不同情况而采用不同的方法。一种变化是气温在同一气团内变化得相对温和，此时日变化规律比较明显，可以采用参考最近一段时间的气温变化的情况并结合相关资料和图解做出预报。另一种情况便是冷锋过境。此时由于冷锋两侧的温度不一致，冷暖气团强度也会存在差别。关注锋面一侧的冷空气的活动会主要分析高压冷槽，地面冷锋活动和影响。对于暖空气，副热带高压的分析、大陆高压、热倒槽以及热低压的活动和影响则使主要关注的方面。云也会对局部气温产生影响，比如多云的白天的最高气温就会低于无云的白天，而多云的夜间最低气温反而比无云时高。这是因为云层会减少太阳对地面的辐射，而且会使地面散热速度减慢。因此，晴天时一日的温差变化会比阴天时大。还需要注意的是云对气温日变化也会产生非常大的影响，云量、云高、云厚度以及云维持的时间长短都会影响一天中温度的变化。空中积云对气温的影响主要表现在云维持的时间长短，云的位置高低，形态薄厚，雾对于气温的影响与云相似，参考上文即可。

气象学家将大气运动定义为不同的尺度，以便于研究复杂的大气现象。划分大气运动的尺度基本上是根据观测事实、实用的角度以及理论研究结果这三个方面为依据。Ligda(1951)创造了中尺度(mesoscale)这个词来描述那种介于常规观测网和雷达的观测能力之间的一种中间尺度现象^[1]。中尺度（mesoscale）在美国气象局的定义的水平范围为10至1000公里。随后一些研究人员将上述的中尺度的水平范围的规定向两端扩展，以便使其符合自己的研究需要，从而提出不同的中尺度定义。中尺度天气系统是导致如强风、暴雨、冰雹等许多气候现象发生的直接因素，因而对于中尺度天气系统发展演变以及其形成机制的研究尤为重要。

大气运动以及水汽相变是造成天气变化的主要原因，这些变化在连续介质的假设下受物理学定律的约束。数值天气预报就是利用高性能计算机使用数值计算的方法，模拟这些由物理学定律（如牛顿第二定律、水汽守恒等定律与热力学能量守恒）组成的复杂方程组，以获得大气层以及天气的持续变化情况。

气象预报员的主观经验和客观分析方法是温度预报业务的主要分析手段。数值预报在发展的过程中展示出了对未来天气的指示性高于主观经验和客观方法的先进之处。可是由于其对影响温度变化的主要原因的把握不到位，使得在温度预报的精确性和质量的提升存在一定的难度。因此分析当地气温变化规律，了解当地气温历年数据的峰值和平均值等重要气象背景是气温预报的首要工作。

在天气预报中，温度预报虽然是最基础的一部分，但温度预报准确率与要达到精细化预报要求的差距还是很大。虽然温度预报的方法一直在随着技术的发展而更新。从开始的预报员对天气形势分析和温度实况外推进行预报，到现今常规温度预报的质量随着数值预报，综合预报以及各种数理方法的应用使得准确率愈来愈高。但是这些预测结果与希望达到的精细化目标仍然存在让人难以忽视的差距，这也是气象研究人员的一直在关注的方向。

温度平流、垂直运动和非绝热因子是热流量方程中三项能够使温度发生变化的因子。由于气压的改变不会使一个地区的温度产生很大的变化，因此在中尺度分析中可以忽略。在大尺度系统中，温度平流和非绝热作用能够使一个地区的温度产生较大的变化，它们在中尺度天气系统中同样占据着重要的地位。温度平流和大气稳定度对于非绝热过程中气温变化的影响很小。此时气温会受到低空相对湿度，下垫面性质，地形以及天空状况等很多因素的影响。在没有大尺度气候现象发生时，用动力学方法去描述中小尺度上气温的变化过程是一项有难度的任务。因此气象台在现实的气温预报业务中会通过分析不同因子如温度平流等对于气温的影响程度在数值预报产品的基础上使用不同的预报模式得到预报值。但是当出现特殊天气，如气温急剧上升或下降，就会出现预报结果不稳定。这是这种预报方法的普遍存在的不足。

天气预报技术发展到一个相对成熟阶段后，对于预报的精度会逐渐增加，如具体到某一小时，某一街道。因此天气预报的精细化时发展的一个必然阶段，也是目前气象服务最迫切的需求。国际气象科学也是极为关注“定时、定点、定量”的精细化天气预报业务。时间间隔为一小时，空间分辨率为5公里的精细天气预报已经能够在有着发达技术优势的日本、美国和欧洲等发达国家实现。由于国内天气预报的精细化预报工作业务才刚刚开始，国内技术水平有限，目前国内的精细化天气预报一般利用非静力平衡中尺度数值预报模式（MM5模式）。以北京T213数值预报产品为初始场，引进本地地面和探空实时资料，实现本地区中尺度精细化天气预报，预报分辨率为20公里×20公里。

虽然当下对于短期的天气预报已经有了较高的精度，中期可用形势预报已经基本可以实现预测九到十天的预报，十到三十天延伸期预报系统也开始逐渐使用通过增加模拟分辨率以及完善物理过程等方面的努力，可以使得数值模拟逐渐完善。但是这些技术的实现并不能满足人们对不断提高天气预报准确性的需求，数值预报结果自身存在不确定性，从而导致准确率较低。模式终究不能达到完美，大力发展数值预报精细化和误差修正方法具有重要意义。

1.2 国内外研究现状

数值天气预报概念的第一次提出是在二十世纪初。挪威气象学家Bjerknes在1904年首次提出了天气预报实际上就是一个数学的初值问题，只需要获得天气初始值，通过求解表示大气运动的方程组就可以得到未来大气的变化情况。但是Bjerknes学者提出的大气运动方程组中有六个变量为风场、温度、水汽等，并且方程组比较复杂，在当时求解任务量较大，且具有一定难度。英国物理学家Richardson借助差分方法可以对大气运动方程进行求解，但是得到的是近似解。因为在那个年代还没有发明出计算机，进行一次天气预报需要消耗大量的人力物力，并且在当时还没有考虑重力波等因素的影响。在第二次世界大战之后，随着计算机的发明以及全球气象观测网的构建，基本实现了天气的预测。Charney(1948)等人优化了大气运动方程组。Neumann(1950)再次完善了Charney的方程组。Hinkelman(1959)用没有简化的原始方程模式使其效果不低于准地准模式计算出来的结果。后来随着计算机运算能力的发展以及全球观测网的发展，数值计算方案、模拟物理过程、参数优化等与天气预报相关的理论都得到了快速发展。

现阶段，国内外主要的数值天气预报中心都掌握了各自的全球中期数值预报模式，其预报内容包括了：气压、温度、湿度、风、云与降水量。就范围来讲，已经基本实现了从对流层有限区域组件增加到平流层的半球甚至全球，就时间来讲，完全可以实现一到两天的短期天气预报，有的国家甚至可以实现一个星期的中期预报的预测。且大家都会将进行更加精确的预报这一方向作为持续发展的主要方向。随着全球模式能够为所有的中尺度、区域模式和环境模式提供侧边界条件和初始条件，资料同化方案的先进与否，模式动力过程的优越与否以及物理过程参数化水平高低这三个方面已经成为决定数值天气预报水平高低的关键因素。

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