分块地形坐标大气环流模式框架的计算稳定性及数值试验

用数值试验方法讨论了分块地形η坐标大气环流模式动力框架的计算稳定性;采用实际初始场,该框架能够长期稳定地积分。在积分前100d内总有效能量变化很小,总质量守恒、各物理量场的数值和波形都得到很好保持,这表明该框架稳定性好。在分析了该框架的积分结果后可知其合乎物理事实,与IAP2.0的动力框架相比,能更好地反映出大地形的环流形势,这说明有大地形时采用分块地形η坐标要较σ坐标好。另外,还对青藏高原等大地形的纯机械强迫作了数值试验,得到了地形强迫平均槽脊的分布特征,给出了地形纯机械强迫造成的准定常行星波的图像。这些工作表明采用分块地形η坐标处理大地形是合理可行的。

分块地形坐标大气环流模式的动力框架及其整体性质

介绍了分块地形坐标大气环流模式的动力框架及该框架微、差分方程组的整体性质。目前该框架水平分辨率为 4°× 5°,垂直分辨率有 9层和 2 1层两个版本。给出了该框架的控制方程组及其差分形式、边界条件、时间积分方案等。该框架的微、差分控制方程组均满足总质量守恒、平流项二次守恒、科里奥利力不作功和总有效能量守恒 ;且未引入虚假的源和汇 ,保持了该框架计算过程中的物理真实性。该模式框架在主流微机上能长时间稳定积分 ,并可作有关地形的数值试验。

地形坐标系差微差一致性中尺度方程组

本文根据差微差一致的坐标变换原理,将笛卡尔坐标系中的中尺度方程组变换成为地形坐标系中的中尺度方程组。所得方程组不但克服了山经典坐标变换带来的气压梯度力项计算的困难,而且和通常的差微差一致变换得到的方程组比它不包含有复杂的余项,具有计算简便的优点。

在较陡地形下对地形σ坐标的中尺度大气控制方程的修正

通过比较常用地形σ坐标的流体静力中尺度大气控制方程的一般导出与利用张量分析法的导出，分析了前者只限用于很小地形坡度的原因。根据后者对前者作了修正，给出适用于较陡地形坡度的流体静力控制方程。并借助修正了的Ｐｉｅｌｋｅ数值模式模拟气流过山的流场特征，说明修正的作用与意义。

分块地形坐标大气环流模式动力框架及其积分结果分析

给出了分块地形坐标大气环流模式的动力框架及其积分结果,采用该坐标可解决陡峭地形的问题.该框架的微分和差分方程组具有总质量守恒、平流项二次守恒、科氏力作功为零、总有效能量守恒等特点,其时间积分方案则采用改进的非线性迭代.对该框架的9层和21层版本的积分结果作了能量检测,同相应的IAP AGCMⅡ和AGCM-Ⅲ的动力框架相比,其动能和总有效位能的变化均与之相近证实了该框架具有较好的稳定性,可长期积分.该框架较原IAP AGCM动力框架更能反映复杂大地形对大气环流的影响,表明分块地形坐标要较原坐标为优.最后用21层版本研究了地形对准定常行星波的影响,结果也证实了该框架的正确合理性.

一种新型高度地形追随坐标在GRAPES区域模式中的实现:理想试验与比较研究

将一种新的高度地形追随坐标(Klemp坐标)引入了GRAPES区域模式,并与传统追随坐标(Gal-Chen坐标)和平缓地形追随坐标(SLEVE,Smooth Level Vertical coordinate)进行了比较。对不同坐标下气压梯度力的计算误差通过理想静止大气试验进行了评估,结果表明:与Gal-Chen坐标和SLEVE坐标相比,Klemp坐标有效地减小了气压梯度力的计算误差。理想重力波模拟试验表明,Klemp坐标下对重力波的模拟相比其他两种坐标也更接近于解析解。模式进一步采用了Mahrer气压梯度计算方案减少了计算误差,并提高了模式的精度和稳定性。实际个例试验与理想试验的结论相似。

地形跟随坐标下的中尺度模式气压梯度力计算误差分析及其改进方案

地形跟随坐标系中水平气压梯度力的算法一直是困扰数值模式发展的关键问题之一。目前数值模式中使用的方法只能在天气尺度的模式中部分缓解气压梯度力的计算误差问题。在高分辨率中尺度模式中,随着地形坡度的进一步加大,气压梯度力的计算误差问题更加突出。作者通过理想场的计算分析了几种主要气压梯度力算法的误差,结果显示在中尺度模式分辨率下,计算的水平气压梯度力不但不收敛于真值,而且随着地形坡度的加大或模式分辨率的提高,计算误差逐渐增大。作者提出了基于静力方程订正的回插等压面改进方案,理想场的计算结果表明该方案的计算误差可显著减小,在典型中尺度模式参数的设置下计算精度可达10-6m/s2。其最大特点是随着模式分辨率的提高,该方案的计算误差将逐步收敛到零。

大气数值预报模式中高度地形追随坐标的设计研究:理论分析与理想试验

采用一种统一的地形追随坐标的形式,对Gal-Chen&Somerville(简称Gal.C.S坐标)、平缓坐标(smoothed levelverti calcoordinate,简称SLEVE坐标)等几种典型的高度地形追随坐标进行了气压梯度力计算误差影响和二维质量平流试验的理论分析,并与一种新提出的高度地形追随坐标——三角函数平缓坐标(简称COS坐标)进行比较。气压梯度力计算误差分析结果显示,与Gal.C.S坐标相比,单尺度平缓坐标(简称SLEVE1坐标)、双尺度平缓坐标(简称SLEVE2坐标)和COS坐标在减小气压梯度力计算误差上有不同程度的改进,SLEVE2坐标和COS坐标比其他两种坐标更具优势,衰减系数b和坐标转换的雅可比项对减小误差起决定性作用。二维质量平流试验也有类似的结果,与无地形的参考试验结果相比,COS坐标的质量输送计算误差最小,且经优化的COS坐标的质量输送计算误差几乎和参考计算误差完全重合,在4种坐标中最优。

两种地形追随坐标对一次强降水过程模拟影响对比分析

利用GRAPES_Meso区域中尺度模式,选择传统追随坐标(简称Gal.C.S坐标)和新的平缓追随坐标(简称SLEVE1坐标)两种高度地形追随坐标,对一次强降水天气过程进行数值模拟,对比分析两种不同地形追随坐标的影响。个例模拟结果表明,SLEVE1对降水场、风场、温度场、高度场的模拟预报均有改进;与Gal.C.S坐标相比,SLEVE1坐标通过平滑坐标面上的地形作用,减小虚假垂直速度进而减少虚假降水;SLEVE1坐标模拟的各要素场剖面图等值线上的小尺度噪音有不同程度衰减,预报要素均方根误差减小,相关系数增大;SLEVE1坐标临界衰减高度越小,模拟预报结果越好,该高度受到最大地形高度的约束。

地形追随坐标系下埃特尔位涡的计算

随着数值天气预报模式的日益普及以及位涡在不同天气、气候时、空尺度上的广泛应用,对采用模式输出资料计算的埃特尔(Ertel)位涡的精度提出了更高要求。将气象要素从中尺度模式普遍采用的地形追随坐标系向定义位涡的z或p坐标系的插值过程(插值法),是导致埃特尔位涡计算误差的主要原因。文中利用地形追随坐标系与z(p)坐标系的变换关系,导出了z坐标系定义的埃特尔位涡在地形追随坐标系中的表达形式,实现了直接在模式格点上计算埃特尔位涡(直接法),在提高计算精度的同时,保留了其在z坐标系中的物理意义,方便了分析与应用。为了进一步分析直接法在减少计算误差方面的作用,使用WRF模式对2016年7月发生在华北地区复杂地形背景下的一次黄淮气旋爆发过程进行了模拟,利用模式输出资料对此次天气过程中强降水时段插值法计算误差的分布进行了分析。结果表明,利用直接法计算位涡可有效减少插值法引入的计算误差,中低层均方根误差可达0.5 PVU,中高层可达0.3 PVU。将其应用到中小尺度对流性天气精细化结构的分析及气候统计研究中,可以有效减少插值法误差对结果产生的不良影响,提高计算和分析准确度。

基于几何方法的地形点坐标的拾取

针对无法交互式拾取地形点精确坐标的问题,提出了一种基于几何方法的地形点坐标拾取策略:利用几何射线与球体求交,根据DEM数据空间信息,设计了球心角二分法,并利用其查找地形点的精确坐标.实验结果表明,该策略不仅得到的地形交点的坐标较精确,且增加了虚拟现实地理系统中交互式操作的流畅性,为研究交互式生成地球上的曲线提供了一种新的方法.

M—γ尺度G—Chen坐标系中气候模式的研制

本文在地形坐标系中完整地推导出三维大气--土壤耦合模式的控制方程组及其参数化方案。模式详细考虑了坡度、坡向、周围地形遮蔽对辐射平衡的影响以及土壤水的冻结、融解、蒸发过程，结合 1985年冬太原地区边界层污染、气象观测资料进行对比模拟试验，取得了令人满意的结果。

有地形存在时对流云发展的数值模拟研究

本文通过应用地形转换坐标，建立了一个能够模拟复杂地形上对流云发展的二维非静力的弹性模式，并对以下几个方面进行了模拟实验：首先对初始环境场的调整适应过程进行了模拟研究，得到：在有对流云发展的情况下，只要调整适应时间大于一个浮力振荡周期（即２π／Ｎ），则此时间尺度的大小只对对流云的发展强度产生影响，而对其发展的趋势影响不大。然后我们对下述过程进行了模拟：①地形抬升对积云的触发作用；②上坡环流对已发展对流云的加强；③下坡环流对已发展对流云的减弱。模拟结果表明，模式是稳定的、可靠的。上述模拟研究为我们今后深入开展强对流云数值模拟工作打下了基础。

我国大地坐标系的换代问题

首先指出了我国现有大地坐标系在先进性和实用性方面存在的问题 ,提出了我们面临的选择与采用地心坐标系的建议 ,然后就地心坐标系的定义和实现、参考椭球常数、正常重力公式等问题提出了初步意见 ,并就坐标系改变对旧地形图的影响问题进行了研究。我国大地坐标系应由局部坐标系更新为地心坐标系。我国大地坐标系的定义应与IERS(国际地球自转服务)协议相一致 ,采用国际常用的参考椭球和正常重力公式。本文提出的参考椭球和正常重力公式符合这些原则 。

运用平板仪施测地形图

系统地阐述了运用平板仪施测地形图工作方法、铅笔地形原图的勾绘。详细地介绍了用辅助高法求地形点的高程、计算公式。论述了用极坐标法测定地形点位置的优点。阐述了在大比例尺地形测量中,立尺点至测站点的最大视距及平板仪的对点误差精度规定以及正确选择地形点以及地形测图的注意事项。

中小地形对局地天气气候的影响

本文采用地形活动坐标系,研究在二维运动条件下地形对局地天气气候的影响。指出:地形对气流的影响不仅与地形高度z有关,而且与地形的坡度α,下垫面的热力分布,近地层大气稳定度г,垂直交换系数k以及基流v等诸因素密切相关。其中下垫面温差,地形坡度和基流尤为重要。

地形追随垂直运动方程在南疆极端暴雨中的诊断分析

针对2021年6月15~17日发生在昆仑山脉北坡的南疆极端暴雨过程,本文综合考虑地形对暴雨发生、发展的作用后,利用地形追随坐标控制方程并采用Boussinesq近似推导建立了地形追随坐标的非静力平衡广义垂直运动方程。诊断结果表明,经向气压梯度力耦合经向散度项(项一)、垂直气压梯度力耦合纬向散度项(项二)和非绝热加热经向梯度项(项三)是激发暴雨垂直运动发展演变的三个主要强迫项。项一体现了偏北风逐渐增强,在昆仑山脉的阻挡下导致经向辐合增强,触发了垂直上升运动。经向气流辐合始终是对流活动最主要的强迫过程,其次为纬向气流辐合。在地形追随坐标形式下,经向和垂直气压梯度能够增强项一和项二。对流发展阶段,水汽辐合与非绝热加热过程增强了非绝热加热经向梯度,促进了垂直上升运动发展。在地形的影响下,对流层中高层西风过山气流波动特征明显。重力波活动导致的高层辐散进一步促进了山脉迎风坡对流活动。经向和纬向气流辐合、非绝热加热过程以及重力波活动等多个因素共同造成了此次南疆极端暴雨。

新疆山地锋面暴雨的锋生分析

本研究充分考虑新疆复杂地形效应及锋面暴雨区湿大气的凝结潜热加热:(1)发展了地形追随坐标下基于位温、相当位温、广义位温的热力学锋生函数和基于变形场的动力学锋生函数,阐述地形追随坐标下的锋生函数在研究复杂地形锋面过程的优势;(2)从锋生过程更本质的温湿度梯度增大过程角度讨论四种锋生的优劣势,发现广义位温锋生和变形锋生与降水过程有更好的对应关系;(3)借助新疆一次北天山到南天山的移动型锋面降水的WRF数值模拟,对广义位温锋生函数和变形锋生函数的主要强迫和对降水的作用进行诊断分析,结论表明动力学锋生在降水触发和减弱阶段有重要作用,由涡度散度变形的能量转换引起,热力学锋生主要作用于降水发展阶段,潜热加热是其主要强迫。实际应用中,近地层至中低对流层两类锋生的重叠区可指示未来降水移动方向。

拉格朗日烟团空气质量模式系统气象要素模拟验证

侧重介绍拉格朗日烟团空气质量模式系统及其在北京的应用。这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物之输送、扩散、转化和迁移过程的影响,区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响,以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对污染物浓度时空分布的影响。在空气质量模拟方面,采用烟团函数分割方法,垂直坐标采用地形追随坐标。可以模拟区域与城市尺度大气气溶胶、对流层臭氧、酸雨、能见度和常规污染物的浓度。在环境风险预警与应急过程中,能为政府提供可靠的环境空气质量及暴露水平数据。通过对比气象要素(风向、风速和露点温度)的模拟值与观测值,结果表明,模拟值与其相应的观测值具有很好的线性关系,相关系数分别为0.95,0.74,0.94。这套模式系统将诊断模型与中尺度模型相耦合,对城市区域的环流特征和边界层结构具有很好的模拟能力,同时能够较真实地模拟下垫面非均匀性对大气边界层结构和局地天气条件的影响。

基于MM5的轮毂高度风场数据获取方法

从MM5模式垂直坐标定义出发,将大气静力学方程应用于整个大气,并在相邻层之间进行等温大气假设,进行求解层的高度,从而可由MM5的模拟结果中得到不同轮毂高度风场数据。对比验证表明该方法可靠,为从MM5结果获取轮毂高度的风场数据提供了另一种简便而准确计算的方法。