阴阳网格上质量守恒计算性能分析

质量守恒数值计算是球面准均匀阴阳网格构造全球大气环流模式的重要条件,也是提高阴阳网格应用质量的重要技术手段。本文针对通量形式平流方程,在球面坐标上采用多种理想数值试验对阴阳网格上的三种守恒计算方案和边界插值非守恒计算方案进行了比较检验。发现,质量守恒方案不仅对全球数值积分重要,还影响数值计算精度,满足局地守恒条件的全球强迫守恒方法可以获得较高的精度;网格内质量均匀分布的阴阳网格边界通量一致性守恒强迫计算方案,实现了在不增加计算误差条件下保证局地和全球守恒的目的,且具有很小的计算负担,可以作为阴阳网格上全球质量强迫守恒的有效计算方案;而网格质量的线性分布可以有效提高阴阳网格的数值积分计算精度,但在一定程度上会增加计算负担。

阴阳网格守恒算法的设计和改进

阴阳网格上的质量守恒算法对于阴阳网格在全球模式构建和应用具有重要意义,是模式长期稳定积分和保证计算效果的重要性能指标。本研究在已有的质量均匀分布假定下阴阳网格守恒强迫算法的基础上,构建网格内质量的双线性分布和边界通量线性分布的质量守恒强迫算法,以提高阴阳网格平流计算的精度和模式积分的稳定性。运用CIP-CSLR平流方案对通量形式平流方程数值求解,分别通过"余弦钟"平流试验、正弦波试验和变形流试验对质量双线性分布、边界通量线性分布的新方案与质量和通量均匀分布的原方案进行了对比,标准化误差和标量场分布均表明新方案可有效提高阴阳网格守恒算法的计算效果,且计算负担没有明显增加,具有较好的实用价值。

基于球面阴阳网格数值计算研究进展

对球面阴阳网格的转换关系、优缺点及边界数据插值交换方法的相关知识进行了较为详细介绍。同时对应用球面阴阳网格的3种数值计算方法进行了回顾总结,包括优化的Schwarz方法、CIP-CSLR平流数值计算方法、多离散矩有限体积法。针对优化的Schwarz方法,从浅水方程组的离散入手,讨论了其在求解球面椭圆型问题的优势;而对CIP-CSLR平流数值计算方法和多离散矩有限体积法,主要从如何在网格单元内构造插值函数的角度对其进行分析。最后对开发全球非静力阴阳网格模式进行展望。

阴阳网格上通量型非静力模式动力框架的理想试验

为改善球面经纬度网格在高分辨率应用的苛刻限制,提高全球大气动力模式的时间积分效率,选取以阴阳网格为基础构建通量型非静力大气模式动力框架,采用有限体积法和通量型平流显式算法积分方案,保证模式的守恒计算性能。该动力框架在标准三维大气理想试验中进行了中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,罗斯贝-豪威茨波试验和山脉罗斯贝波试验中均表现出很好的稳定性和三维计算效果,其中水平2.5°分辨率模式的平衡流垂直速度误差为10^(-5)量级,而经向速度误差在10^(-2)量级,罗斯贝-豪威茨波保持基本波形稳定传播,而地形罗斯贝波试验则给出背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。

基于新型LE水平跳点网格的阴阳网格平流方案设计

为了模拟球面平流传输过程,本文基于球面阴阳重叠网格设计了一种两时间层半拉格朗日平流方案。该方案在球面坐标下采用新型的LE水平跳点网格,同时针对阴阳网格重叠区,采用了不同插值方法进行比较分析,且进行了相关的理想数值试验对方案设计效果进行评估。数值试验表明方案设计是成功的,阴阳网格重叠区平流对插值方案比较敏感;半拉格朗日方案能较好地模拟球面刚体平流和变形涡旋的结构、位置及演变过程,并具有较好的数值稳定性和较高的数值精度。

GRAPES_YY模式发展及其对梅雨锋降水模拟的性能检验

GRAPES_YY是在球面准均匀阴阳网格动力框架基础上发展起来的全球非静力模式,目前已耦合全套物理过程参数化方案,具备了中期天气预报能力。为了解模式对环流和降水的实际预报效果,检验模式对多尺度天气系统的预报能力和误差分布特征,以ERA-interim资料和逐时地面融合降水产品为参考,对1个月(2018年6月中旬-7月中旬)批量试验结果和一次长江流域梅雨个例(7月4-7日)模拟结果进行分析。结果表明:在改进上边界条件基础上,模式有较好的稳定性,短期预报时效内对全球环流和降水刻画准确,模式24 h累计降水纬向平均成功再现了低纬度和中纬度地区的两个降水峰值,但对低纬度对流性降水和中纬度格点尺度降水预报偏强。其次,模式成功模拟出7月4-6日中国东部梅雨雨带位置、走向及南北摆动,整体上能正确反映主要天气系统的移动演变,但受分辨率限制以及湿物理过程影响,暴雨以上量级降水还存在强度预报偏弱、位置偏北的问题。GRAPES_YY模式模拟结果基本合理可信,对中低纬度梅雨锋降水的预报能力较GRAPES_GFS略有改善。

全球非静力GRAPES_YY高分辨率模式对一次梅雨锋降水过程的模拟分析

为开展全球高分辨率数值天气预报和模拟,以中国气象局现有业务模式GRAPES为基础,发展了水平0.1°×0.1°分辨率的球面准均匀阴阳网格全球非静力模式GRAPES;Y。选择2020年7月6—8日出现在安徽南部的一次强降水个例作为研究对象,利用0.1°×0.1°分辨率GRAPES;Y模拟结果,结合FNL 0.25°×0.25°再分析资料、逐时降水融合产品和雷达资料,对模拟结果进行分析和检验。结果表明,此次强降水受高空槽、低涡切变线、低空急流的共同影响,由稳定梅雨锋上的不断东移的中尺度对流系统形成,模拟的大尺度环流系统的位置及强度与FNL 0.25°×0.25°再分析结果基本一致。模式较好模拟出24 h累积降水雨带的大值区位置和走向,但强降水强度和弱降水雨带分布有差异,强降水区维持明显的低层水汽辐合以及西南水汽通道。模拟结果显示,强降水和对流中心对应异常强的500 hPa假相当位温的大值区,其位置的南北摆动保持一致,表现在剖面图上为梅雨锋对流区的深厚对流中性区和锋区南北为对流不稳定区,锋区的850 hPa以下的边界层内表现为一致的对流不稳定。