二阶精度半隐式半拉格朗日轨迹计算和时间积分方案在GRAPES区域模式中的应用

将两时间层稳定外插方案(Stable Extrapolation Two-Time-Level Scheme,SETTLS)引入GRAPES区域模式,并将其用于上游点和非线性项的时间外插计算。对线性项采用二阶精度的非中央权重时间平均,并取等温参考大气的温度大于实际大气平均温度,以保证半隐式积分方案的稳定性。原GRAPES时间积分方案对线性项做一阶非中央权重时间平均,对参考大气的选择并无限制,而为保证稳定性,须取较大的非中央权重系数,但非中央权重系数会对低波数波动产生较强的衰减作用。理想试验结果表明,相比原GRAPES半隐式半拉格朗日(SISL)时间积分方案,新SISL时间积分方案计算稳定且对波动的衰减作用较弱。

半拉格朗日、半隐式欧拉方程组大气数值模式研究

介绍了一个具有较高时间积分效率的三维弹性大气数值模式。其中，控制方程为能够描述大气非静力及可压缩性的欧拉方程组，时间积分采用了高效率的“半拉格朗日、半隐式”方案。通过引用一个简化的“云物理过程”参数化方案，针对大气中深厚湿对流过程的若干问题进行了数值试验，结果表明，模式能够对该过程中的一些基本和复杂现象进行有效地模拟。试验结果还表明，动力学框架具有很好的稳定性，能够实现高效率的时间积分，它还具有较好的频散特性，保证了空间计算的精度，从而完好地描述了风暴的形态。

一个应用于加拿大区域有限元预报模式的三维半拉格朗日方案

把用半拉格朗日方法处理水平平流与用半隐式方法处理重力波动结合起来可以取比半隐式欧拉方法允许的更长的时间步长。这样,时间步长就受对垂直平流作显式处理的稳定性的限制。为了消除这种稳定性约束,我们提出既用于水平平流又用于垂直平流的半拉格朗日平流方案。这方面工作已在加拿大区域有限元天气预报模式中进行,此模式包含了对大多数有关的次网格尺度过程的参数化。模式结果表明,即使取远超过欧拉模式稳定性限制的时间步长,三维半拉格朗日方案仍然可以作出稳定、精确的积分。

消除半隐式积分方案中的Helmholtz方程的一个方法

在原始方程模式的显式积分中,为使高频重力波保持计算稳定性,时间步长必须取得很小以满足CFL稳定性判据。半隐式积分方案较之显式积分可以使用较大的时间步长,因而提高了计算效率。但是,与半隐式方案相伴随的是要解一Helmholtz方程,这个方程的求解在积分过程中占有相当比重,这一点在差分模式中尤其明显。因此,消除Helmholtz方程是进一步提高时间积分效率的一个重要方面。

全球非静力半隐式半拉格朗日模式及其极区离散处理

全球有限区同化预报系统GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)中的全球模式是新研发的新一代全球非静力数值预报模式,该模式将作为中国气象局下一代全球中期数值预报的业务模式.模式动力框架的特点包括采用全可压方程组、非静力/静力可选、半隐式半拉格朗日大时间步长、利用预条件求解复杂的三维亥姆赫兹(Helmholtz)椭圆型方程等.针对极地奇异性的特点,介绍了GRAPES全球模式在极地的离散处理方案,包括采用水平风分量v放在极地的Arakawa C网格,引入极地滤波解决极地数值计算的稳定性,近极地Helmholtz方程的订正,及为提高球坐标系下拉格朗日上游点计算精度的处理等.平衡流理想场试验表明,模式对极地半拉格朗日上游点及极地的处理是正确的;Held和Suarez试验表明模式可保证长期时间积分的守恒特性.

非静力中尺度模式的现状及发展趋势

随着高性能计算机与大气探测技术的发展 ,使得非静力中尺度数值预报模式的业务化成为可能 ,世界上主要的气象中心最近几年纷纷发展非静力中尺度模式 ,并取得了重要进展 ,这其中尤以英国气象局新发展的非静力通用模式最为突出。基于此 ,介绍了近年来国际上发达国家的非静力中尺度预报模式的现状及发展方向 。

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法(GCR)求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。

数值天气预报全球谱模式的数值计算过程

研究了基于谱方法的数值天气预报的全球预报谱模式的数值计算过程 .该数值计算过程基于欧拉U -V模型 ,在垂直方向上将大气分成NLEV层 ,这些层通过两层之间半层的压强来表示 .预测变量在垂直方向的离散就是基于这种表示 ,在水平方向采用谱方法进行离散 。

点支式玻璃幕墙施工技术

建设幕墙按其结构特点可分为：明框幕墙和隐框（半隐框）幕墙以及全玻璃墙、点支式玻璃幕墙，这里着重谈点支式玻璃幕墙的施工技术。

利用多处理机积分全球谱模式的方法

利用垂直正规模,把全球多层原始方程组化成多个浅水波型方程,从而在一个时间步长内,可以使积分的绝大部分工作在多处理机上进行。最后,还给出了计算的流程图。

加拿大气象中心的数值预报模式和有关研究

加拿大气象中心(CMC)主要从事中短期数值天气预报业务和有关研究.下面我们分别进行叙述.第一部分中短期数值天气预报业务制作中短期数值天气预报业务的模式有两个,即有限区域半隐式半拉格朗日有限元模式和半球谱模式.前者主要作48小时以内的天气和形势预报;后者主要作3到5天的天气和形势预报.

拉格朗日法在数值天气预报中的应用(三)

十二、去掉插值的半拉格朗日格式前面已经介绍,半拉格朗日积分方案的优点是它比欧拉积分格式节省计算机时.但是在积分过程中,它不断地使用插值方案,其积分效率仍受到严重的影响.本节介绍去掉插值的半拉格朗日方案.

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES(Global Regional Assimilation and PrEdiction System)半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系-GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3-10 km到全球25-50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。

基于广义垂线坐标系的三维非结构数学模型及其在珠江口的应用

基于广义垂线坐标变换,构建了非结构网格的三维水动力数学模型。模型采用半隐式有限体积法对控制方程进行数值离散,其中半隐式法用于水位梯度和垂向紊动扩散以及垂向对流项的离散,显式控制体积分法用于水平对流项等的离散。广义垂线坐标系使得模型能够灵活地对垂向网格进行布置,平面非结构网格使得模型能够适应河口海岸复杂的岸线,并可对局部进行网格加密。模型通过具有解析解的风生流和异重流对模型进行检验,应用模型模拟了珠江口的三维潮流过程,计算结果与实测水文数据的比较表明,模型能够较好地模拟珠江河口的盐水楔和三维分层水动力过程。

两种在有限区域内进行2-维谱展开的方法

提出了两种在有限区域内进行2-维谱展开的方法。其中一个适用于直角坐标,一个适用于球面坐标。还对用这两种方法解 Helmholtz 方程的问题进行了讨论。