天气模型(或者,正如他们更通常被称为,大气模型)是计算机程序,读入输入数据(初始条件)和解决偏微分方程产生未来的大气状态。虽然@JonEricson提供了一个总体不错,但坊间的总结模型做什么,在这里我所需要的具体步骤描述的大气模型产生一个预测。这个答案一般适用于海洋环流和气候模型。许多人相信天气预报坐在一张地图和头脑风暴云会的地方。这个答案旨在提供一个容易理解但彻底解释对大气和海洋预测模型是如何工作的。
大气的进化可能是描述一个系统的偏微分方程(pde)。大多数情况下,这些都是原始方程由动量方程(求解速度v $ \ mathbf {} $或动力$ \ mathbf{\ρv} $),连续性(或质量守恒方程)和热能方程求解温度元新台币和特定的湿度问美元)。连续性方程与动量方程闭合是必要的。这些方程可以近似在许多方面,产生一组减少和/或简化的方程。有些近似静压、Boussinessq滞弹的等等。最完整的原始方程形式的大气预后状态变量你美元,五美元,w美元,$ p $,元新台币,问美元。一个理想化的氛围也可以模拟只有(没有热力学)动量方程和连续性方程,浅水方程或绝对涡度方程。后者的一个例子,看到开创性的论文恰尼,Fjortoft和冯·诺依曼(1950)数值预测500 mb涡度通过整合绝对涡度方程。因为他们的模型是正压它不能产生气旋生成。然而,他们取得了史上第一个成功的数值天气预报和他们跑在第一台通用计算机模型,ENIAC。
现在以动量方程为例:
$ $ \ dfrac{\部分\ρ\ mathbf {v}}{\部分t} + \微分算符(\ \ρmathbf {v} ^{2}) + 2ω\ \ * \ \ρmathbf {v} = - \微分算符p + \ν\微分算符^{2}(ρ\ \ mathbf {v}) +φ\ $ $
从左到右,我们有时间趋势的动量,平流,科里奥利力,压力梯度,粘性耗散,最后,任何外部强迫或次网格趋势。不幸的是,平流项v $ \微分算符(\ρ\ mathbf{} ^{2})美元是非线性的,因为这一项,这个方程的解析解是不清楚。这一项也是大气的原因和其他液体在本质上是混乱和小错误v $ \ mathbf {} $迅速增长,因为他们用这个词。如果方程线性化,v $ \微分算符(\ρ\ mathbf{} ^{2}) = 0美元可以找到,分析解决方案。例如,罗斯比开尔文波庞加莱都解析解在一定减少组线性动量或涡度方程。识别是非常重要的,我们需要非线性平流项如果我们希望产生准确的预测。因此我们解决方程数值。
- 这些pde如何解决?处理器不能做衍生品——他们知道如何添加和乘数字。所有其他操作来自这两个。我们需要以某种方式使用基本的算术运算近似偏导数。感兴趣的领域(全球)是一个网格上离散。每个网格单元都有一个值为每个状态变量。例如,以方向的压力梯度项:
$ $ \ nabla_ {x} p = \ dfrac{\部分p} {x} \部分\大约\ dfrac{\δp}{\δx} = \ dfrac {p_ {i + 1, j} -p_{张,j}}{2 \三角洲间{i, j}} $ $
在哪里我美元,j网格索引吗美元$ x, y。这个示例使用有限的差异,集中在空间。还有许多其他离散化偏导数的方法,和那些正在使用在现代模型通常比这个例子更复杂。如果网格间距不均匀,有限体积方法必须使用如果预测quantitity是守恒的。有限元方法更常见的计算流体动力学问题在工程非结构化网格上定义,但可以用于解决大气和海洋。谱方法被用在一些全球模型GFS和ECMWF。
流程未解决网格规模(术语\φ美元)的形式实现参数化方案。参数化过程可能包括湍流边界层混合,积云对流,云粒子物理学、辐射、土壤物理学、化学成分等参数化方案仍然是一个热门研究课题,他们精益求精。有许多不同的方案,所有上面列出的物理过程。一些工作比其他人在不同气象情况。
一旦所有的条款在纸上离散方程,离散方程的形式编写计算机代码。最大气、海洋环流和海洋波模型是用Fortran编写的。这主要是由于历史原因,有悠久的历史,Fortran的奢侈品有非常成熟的编译器和优化线性代数库。如今,非常有效的C、c++和Fortran编译器可用,它更偏好的问题。然而,Fortran代码仍然是最流行的在大气和海洋建模中,甚至在最近开始项目。最后,上述压力梯度项的示例代码行是这样的:
dpdx (i, j, k) = 0.5 * (p (i + 1 j k) - p(张j k)) / dx (i, j)
整个代码被编译成机器语言,然后加载到处理器(s)。模型程序通常不是用户友好的图形界面——这是最常见的高性能多处理器集群上运行从哑终端。
- 一旦启动,程序通过时间离散步骤走向未来。状态变量的计算值在每个网格点都存储在一个输出文件,通常每小时(模拟时间)。输出文件可以读取和图形可视化软件产生相当的图像模型预测。然后用作预测提供有意义的指导和合理的预测。