数值天气预报——程序员的资源?

Question

在那里有一个社区维基问题一本关于气候科学和气象学基础知识的好书或资源?讲的是气象学基础知识。

在此基础上，但关注点略有不同，计算机程序员(有工程背景-我懂数学，但不知道我需要应用哪种数学)是否有“标准文本”来帮助理解数值天气预报?如果这太宽泛，我主要对中尺度和微尺度的应用感兴趣。

我试过建立和运行一些预测模型(例如WRF)，但在不了解至少一些过程的情况下，看着这些数字出来，我感到不舒服。

Answer 1

你所需要的资源将根据你所寻求的理解水平而有所不同。例如，知道数学意味着你可以解方程或变换它们，但这并不意味着你理解其中的物理原理。

为了理解这个过程，你需要了解以下几个主题:

• 物理

  任何天气模型的核心都是我们的原始方程。Navier-stokes，热力学能，状态方程，质量连续性。

• 微分方程，线性代数

  解上述方程的数学。

• 离散化，数值稳定性

  如何将方程转化为在空间和时间上离散的点组成的三维网格上进行数值求解。这还涉及网格类型、网格分辨率、边界条件和时间步长的选择。任何数字噪声都必须考虑在内，有时会使用一些人工扩散来实现这一点。

• Sub-gridscale物理

  网格的一个结果是，小于网格间距约4倍的过程，当然那些完全包含在网格体积中的过程，是无法通过方程中的物理来解决的。这些物理必须参数化。这些过程可以包括对流、辐射、湍流、水汽、边界层过程等。

有些书可以帮助你，包括:

• 流体动力学的数值方法(Durran, 2010)(有限差分法，时间步进格式，数值方法)
• 数值的食谱(数值方法的实现)
• 参数化方案(Stenstrud 2009)(如何在你的模型中表示子网格尺度物理)
• 解释现代Fortran (Metcalf, Cohen and Reid, 2011)(在模型的世界里，你会看到很多Fortran和Fortran)。
• 一篇关于MPI的好文章(不一定要理解模型，但如果你对它如何跨节点运行感兴趣，你会想要理解MPI)。

下一步是深入源代码。从这个角度来看，我建议看看CM1，从编程的角度来看，它可能比WRF更容易理解，并将为如何在代码中应用数学来解决我们的方程并产生您所看到的输出提供基础。