用控制方程预测降雨量

Question

哪个模型是提前24小时预测降水(降雨)的好起点?我看了看卡尔内的大气模型，数据同化和可预测性和霍尔顿餐厅《动力气象学概论》还有其他各种来源。这些都是很好的参考资料，但我不知道我可以用哪一部分来计算我需要的东西。似乎有控制方程是数值求解的，输出是用于预测的。我熟悉数值求解ode, pde，熟悉Matlab, Python，但没有任何参考文献，我可以找到提供明确的公式->数据->代码->输出。

最常被提及的具有明确解的模型是正压涡度方程，我认为它模拟了风和压力。这个模型是由Charney, Fjortoft和von Neumann在50年代提出的，并用计算机求解，结果由Peter Lynch在2008年重新创建(Matlab代码)可用)．该模型能否用于降雨预测?

如果要深入研究基本方程，我应该关注控制方程的哪一部分?任何指针，引用运行的代码是最受欢迎的。

Answer 1

正压涡度方程不足以模拟降雨。部分原因是由于“正压”这个词，它表明缺乏热梯度。另一个原因是，虽然涡度是一个有用的量，但它缺乏关于大气状态的明确信息。

的原始方程是一个偏微分方程组，大多数数值天气预报模型都使用它来模拟各种量。降雨率是一个参数化变量，是一个基于大气状态的诊断公式(或多个公式)，是基于研究的。有时，对于相同的数据，研究结果可能会给出截然不同的答案，这是参数化的一个弱点。其思想是对雷诺平均原始方程建模，并间歇性地调用参数化(包括湍流、辐射、云量等)。

在这里是一本讨论一般参数化方案的好书。

Answer 2

TL;博士:NCEP的GFS(免费访问)和ECMWF的IFS(限制访问)等全球NWP模型每隔几小时提供几十公里水平尺度的预测。从全球NWP数据开始，NCAR的WRF(免费)可用于生成几公里分辨率的结果，并每隔几分钟及时存储一次。

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我觉得我可以给出一些见解。本文的回答旨在为知名NWP模型提供进一步的实践参考。它的核心是要关注的地方以及可用资源可以做什么。我只会简单地说明为什么基础物理可以被视为本质上复杂的。

数值天气预报(NWP)模式关注的是由地球大气和地表组成的系统。这个系统包含了范围广泛的物理特征和过程:跨越数千公里的天气锋，跨越几公里的积云，几米的土层，直径小于几毫米的雨滴，与波长小于几微米的太阳辐射的相互作用，……这些模型在大范围内工作，试图通过求解网格上的偏微分方程来解决气团的运动，并使用物理参数化来解决未解决的亚网格现象。由于对初始条件有很强的敏感性，输入数据的质量是至关重要的。如果对降雨等快速变化的局部特征感兴趣，这一点尤其正确。

全局NWP模型考虑了整个系统。它们的水平分辨率通常只有几十公里。初始条件可以来自许多不同的观测来源(天气雷达、无线电探测、浮标、卫星、飞机……)。数据同化工作并不是最简单的部分，它需要首先获取所有数据。这两个中心提出全球NWP产品:

• 国家环境预测中心(NCEP)全球预报系统(GFS)。它是免费的，你可以很容易地直接下载整个数据集。
• 欧洲中期天气预报中心(ECMWF)综合预报系统(IFS)。下载数据需要注册。业务预测或分析不是免费的，但再分析(如ERA-Interim)是免费的。最近的决议比GFS的要好。除了web界面之外，还有一种检索数据的方法python API。的IFS参数数据库也可以有用的参观。的如果文档可在网上查阅5这是理解本构方程的一个很好的切入点。如果你对它们对雨的影响感兴趣，请参阅“第四部分物理过程，第七章:云和大规模降水”。

区域NWP模型可以使用全球NWP数据作为初始条件和边界条件。国家大气研究中心(NCAR)可能是最著名的免费区域模型。天气研究及预报(WRF)模型。运行模型的相关下载是WRFV3、WPS和静态地理数据的源代码(几gb !)它有一个全面安装流程，以及WRF教程和论坛可能也会有所帮助。的用户指南和物理描述除了代码之外，还非常有趣。你可以在最初的引用为实现的参数化，和许多演讲从他们的研讨会(例如在微物理)。说到微物理，看看WRFV3/phys，你可以找到单独的Fortran模块进行一些参数化:

• module_mp_kessler。F(~ 250 LOC)(水汽，雨水，云水)，
• module_mp_lin。F(~ 3000 LOC)(水汽、雨、云水、云冰、雪、霰)。

因此，在NWP中谈论约1000个LOC的降雨可能不是完全不合理的，但这将忽略运行其余物理过程所需的其他数千个LOC。对于输出的处理，手册中描述了许多选项，您可能会感兴趣一些python的后处理代码。

总之，我认为没有整个NWP机制，准确的降雨预报是不现实的。任何人要自己应用它，都需要熟悉可用的数据集和软件。使用大约1000 LOC的python，您至少可以围绕GFS/ECMWF数据和WRF，以及可能的其他工作，起草一个框架，以满足您对降雨预报的一些需求/愿望。

顺便说一句，地方/国家气象服务可能会有来自他们自己模型的有趣产品(其中一些可能是免费的)。此外，实际上不需要准确预测(例如，仅在统计基础上有效)的应用程序可以依赖nwp以外的其他降雨模型，并使用较少的输入数据(例如，仅长期降雨率测量)。放射科学中使用的一些“雨细胞”模型可能符合这种描述。

参考文献

1. http://www.ncdc.noaa.gov/data-access/model-data/model-datasets/global-forcast-system-gfs/“NCEP全球预报系统”
2. http://apps.ecmwf.int/auth/login/欧洲中期天气预报中心火星目录
3. http://software.ecmwf.int/wiki/display/WEBAPI/Accessing+ECMWF+data+servers+in+batch/“ECMWF。批量访问ECMWF数据服务器”
4. http://apps.ecmwf.int/codes/grib/param-db“ECMWF参数数据库”
5. http://www.ecmwf.int/search/elibrary/part?title=part&secondary_title=43R1《ECMWF IFS文件》
6. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_source.htmlNCAR: WRF源代码和图形软件下载
7. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php“NCAR。《如何编译WRF:完整过程》
8. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_V3/contents.html“NCAR。高级研究WRF (ARW)建模系统用户指南第3版
9. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf“NCAR。高级研究WRF版本3简介
10. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/phys_references.html“NCAR。WRF模型物理选项和参考
11. http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/workshops/WS2010/presentations/Lectures/Microphysics10.pdf“NCAR。WRF中的微物理选项
12. http://github.com/NCAR/wrf-python“NCAR。天气研究和预报(WRF-ARW)模型输出的诊断和插值例程的集合。

Answer 3

您可以进一步了解当前的使用情况天气模型确实有效。如果你想做一个预测，你将不得不运行一个模型，这并不像你的问题所暗示的那么简单。实际上有许多平行的方程，它们描述了网格中的运动是如何表现的。亚网格现象如雨也被参数化。例如，降雨取决于水汽的汇聚和描述水滴生长的气溶胶物理学。这是一个很宽泛的问题，如果你想了解关于预测的更具体的信息，我建议你问另一个问题。