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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流数值预报实习指导书.精品文档.大气模式及模拟基础实习指导书王澄海 编兰州大学大气科学学院一实习目的： 通过有关地图投影的计算，多点（5，9点）平滑算子、客观分析，差分格式的设计和基本计算，让学生掌握数值模式中的基本计算方法和程序设计。并通过正压涡度模式的格点和谱模式程序设计的综合训练，达到学生对数值模式设计和运用的基本技能的掌握。二 实习要求 所有实习提交的内容均为Fortran/C语言实现的程序。要求学生必须在机房现场操作，实习教师随堂讲解和指导。运行环境提倡Linux/Unix，第5-6部分必须为Linux环境下完成。 NetCDF，Gr
2、ads，NCL等软件由管理员统一安装。Fortran编译器可选Intel和Pgf。 每位同学必须在理解计算方法的基础上，独立编写完成以下程序。最好写出一个主程序，每题最好为一个可以被主程序调用的子程序。提倡使用Linux/Unix系统，并把常用的计算函数写为一个静态库的形式。 必须按时通过网上、E-mail提交作业。三 实习内容 实习共分为六部分，前五部分从基本技能的训练，客观分析、数值差分格式的设计，正压涡度模式的设计，正压谱模式的设计。循序渐进，使学生掌握数值模式的基本方法和技能。第六部分为实际应用。实习一：基本技能训练：1 通过有关地图投影的计算，使学生熟悉和掌握地图和实际计算之间的关系
3、2 通过有关地图投影的计算，使学生熟悉和掌握地图投影的基本思路和方法；3 通过有关地图投影在格式设计、守恒格式设计，边界条件中的作用和形式，使学生熟悉和掌握地图投影在模式中的应用.实习步骤：1. 编写出Fortran/C程序。根据最小二乘法，对函数y(t)展开为两项傅里叶级数 y(t)= 这里=2k/(=4)。2. 设天气底图的比例尺为=1：2，对上述三种投影计算天气底图上1.5厘米长度在上述四个纬圈上所代表的实际距离l。3 兰勃脱投影，d=300公里。北极点P的坐标=（-10，4）。分别求点Q(j,i)=(5,7)和（9,11）的地图投影放大系数m和科氏参数f。注意格点值的确定如图1.9所示
4、，这时北极点的坐标应相应变为（-9，5），因一般坐标原点定为（0，0），这里格点值是自1开始。4 在极射赤面地图投影平面上，计算九个站的笛卡尔坐标x和y。各站的编号和地理坐标列于表1。如果坐标原点位于宣恩站（57541），而y轴沿经线指向北。结果用公里和网格步长（等于300公里）来表示。表1编号站名纬度经度海拔1陇西3500104391728.82内江县293710507349.53永济3453110273554开封34461142373.75黄石30151150320.66定南244711502251.57宣恩300010929533.48桂林251911018166.29兴义2505104
5、541296.6编制用于计算机Fortran/C程序，并进行计算。5. 在Lambert投影天气底图上，选取的预报区域内共有MN个网格点，网格是均匀的，网格距为d，预报区域左下角的格点相对于北极点的坐标为。试编写一个计算各网格点的地图放大系数RM(i,j)和科里奥利参数f(i,j)的子程序6 在Lambert 圆锥投影图上，d=300公里，对x=id（i=1，2，20）,y=jd（j=1，2，,16）的有限区域，北极点坐标P(j,i)=（-10，4）。写出求各格点的地图投影放大系数m和地转科氏参数f的Fortran程序（计算f时，当N取）。7. 已知预报区域MN个网格点的初始位势高度ZA(i,
6、j)，初始地转风UA（I,J）、VA(I,J),地图放大系数RM(i,j)和科氏参数F(i,j)，时间步长取dt，空间步长取d，采用固定的水平侧边界条件，应用正压原始方程组的二次守恒平流格式如下式所示。（略去放大系数的水平变化）编制一个时间积分子程序，并要求该子程序具有实施时间前差、中央差和欧拉后差等时间积分方案的功能。式中：实习二：客观分析1 通过空间平滑的计算过程和程序设计，使学生熟悉和掌握平滑的基本概念和基本计算方法；2 通过在格点上计算不同的物理参数，使学生掌握和进一步理解差分求解的概念和方法。 实习步骤：1. 用表1中列出的给定地理坐标上九个站的高度值，对宣恩站的500 毫巴等压面高
7、度的插值拟定算法和编制程序。在H（x,y）场用多项式内插法得到如下多项式：求：（1）所有站的权重是一样的（=1）。 （2）各站的权重取决于该站到进行内插点的距离式中，r用千公里表示。x和y的值采用解习题4的结果。对30种形势下H的资料进行计算，这些资料列于表2.计算30次插值误差的均值、平均绝对误差和均方误差。表2日期台站序号1234567891969.10.16 18 20 237376767367787865698468737855567471697170737071796874817569 73747875726672767378667975707678 29 31 11.2 5 874
8、4764584571696739334513132642705868735887697971636142523539643962634976557070558169736445 12 17 19 22 26635246583236275640204439263233777063745977655862315043294826655744624270594964345758605420 30 12.1 10 13 18364352523637576645352436555640565652523947494558532539645032404757473645465054423443604942
9、 21 27 301970.1.613 43473730425052432031385140244743494564564239374935425034144143433541474347354545505138273815172021284640545344334264575334375152375453384062514062646139405655384442504946503850505742466561532. 用最优内插法（设相对误差=0.02）对与题1相同的问题进行计算。3. 用三次近似的逐次近似法，去=530什米，对习题1的问题作出解答。4. 已知预报区域MN各网格点上某一时间
10、层的位势高度为ZB(I,J),应用五点平滑公式如下式所示。编制一个在预报区域内点对ZB(I,J)进行空间平滑的子程序。5. 已知预报区域MN各网格点上第一，第二和第三时间层的位势高度分别为，应用时间平滑公式如下式所示。编制一个在预报区域内点对位势高度场进行时间平滑的子程序。6. 在MN各网格点上，24小时预报的位势高度为,试编制一个绘制位势高度等值线图的子程序。等值线的最小值和最大值分别取500和600位势什米，等值线增量取4位势什米。 7. 取n=36，试编制一个计算高斯求积分公式的n个结点和相应的权重系数（i=1，2，3,.,n）的程序。8. 设N处有一个波长为3600公里的波，其移速为2
11、0米每秒。如果用差分法解线性平流方程（仅对其中的空间微商作中央差近似），求24小时后此系统移动距离的误差。设格距为1）300公里，2）450公里实习三：数值差分格式的设计1 通过对线性平流方程差分方程对波速的求解，熟悉和掌握差分格式的设计；2 通过对不同的差分格式的设计和求解，比较各种差分格式的优缺点和守恒性1. 空间微商取中央差近似，写出涡度方程的差分形式：（1） 时间微商取中央差，（2） 时间微商取向前差。2. 根据ECMWF/ARII 2008年2月1日全球500百帕位势高度场的资料（i=1，2，144；j=1，2，,73）（网上自行下载），采用三角形截断，取截断波数M=10，试编制一个
12、计算位势高度场所对应的谱系数的程序;再编制一个由计算1986年10月1日全球500百帕位势高度网格点值程序。实习四：正压涡度模式的设计1 通过运用ECMWF/ARII资料，了解、熟悉NetCDF资料格式的存取；2 通过用求解无辐散的正压涡度方程的练习，熟悉建立谱模式的基本流程；3 通过求解无辐散的正压涡度方程的练习，熟悉初边界条件的建立和优缺点；4 通过无辐散的正压涡度方程的练习，了解和熟悉数值预报的基本流程。1. 利用实习一中第8题的假设和计算结果，并给定初始高度场（j=1，16，i=1，,20）的值。设=1小时，时间积分第一步用向前差，然后用中央差。解泊松方程时采用超张弛迭代法，张弛系数取
13、为1.6。迭代精度要求为。外两圈边界取固定边界条件。对该有限区域，利用准地转正压模式编写制作24小时高度场预报及相应的输出格式（每12小时输出一次预报高度场）的Fortran程序。实习五：正压谱模式的设计1 通过运用ECMWF/ARII资料，进一步熟悉、掌握NetCDF资料格式的存取2 通过用谱方法求解无辐散的正压涡度方程的练习，掌握建立谱模式的基本流程；3 通过谱方法求解无辐散的正压涡度方程的练习，熟悉其中基本的物理过程的参数化过程；4 通过谱方法求解无辐散的正压涡度方程的练习，掌握数值预报的基本流程。1. 已知ECMWF/ARII 2008年2月1日全球500百帕的相对涡度场，应用谱方法求解无辐散的正压涡度方程：从而作出未来24小时流函数场的预报。采用变换法计算上式中的非线性项，试编制这一全球谱模式的计算程序。实习六：中尺度WRF模式的应用1 在NCAR网站上下载WRF最新版本；2 在Linux环境下编译WRF模式；3 给定一个实例进行三天的模拟。