适用于非静力大气模式的完全平衡多矩约束有限体积方法

大气数值模式离散垂直动量方程时,一般而言气压梯度力和重力不易维持严格的静力平衡关系。为精确平衡数值离散的垂直气压梯度力和重力,基于高精度多矩约束有限体积方法引入完全平衡数值公式,即以满足静力平衡关系的热力学参考态对重力源项进行数值离散构造,发展了适用于非静力大气的完全平衡多矩约束有限体积方法。一维标准数值试验表明,完全平衡多矩约束有限体积方法能在较粗糙的计算网格点上保持静力平衡参考态的数值计算误差在计算机的单精度(10-6)和双精度(10-14)水平,在具有小量级扰动的初始条件下,完全平衡多矩约束有限体积方法能较好地模拟扰动的传播,二维非静力热泡试验进一步验证了完全平衡多矩约束有限体积方法对非静力大气运动的模拟能力。数值试验结果验证了所发展方法的完全平衡属性和适用性,这为非静力大气模式发展提供了良好参考价值。

非静力模式中三维网格的计算特性

在线性斜压非静力滞弹性方程组的基础上,从频率和群速方面讨论了10种三维网格的计算频散性,结果表明三维网格EL CP、C CP与Z LZ计算频散性能较好.从而为非静力原始方程大气模式选取三维网格提供指导.

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR)。该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致。由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案。通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难。重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化。理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善。

多尺度非静力通用模式框架的设计策略

针对目前国际上数值预报模式的最新发展趋势 ,综述了新形势下多尺度非静力通用数值预报模式框架的设计策略。目前世界上开发通用模式主要有两个途经 ,一是建立一个离散化方案和源程序代码共享的、全球和有限区通用的模式 ,二是建立一个单一的全球可变分辨率的模式。还从通用模式方程组的选取策略、模式网格属性的构造 ,时间积分方案、空间离散方案 。

“96·8”特大暴雨和中尺度系统发展结构的非静力数值模拟

1996年 8月 3～ 5日 (“96· 8”) ,中国河南、山西、河北等省发生了一次特大暴雨过程 ,造成了严重洪涝灾害。文中的天气分析指出 ,稳定的大型鞍形场和北移台风 (登陆后减弱为低压 )与其东侧副热带高压的相互作用是“96· 8”特大暴雨发生的大、中尺度环流条件 ;而中尺度低压及其特有的动力热力结构与该暴雨过程直接相关。对该过程采用非静力中尺度数值模式 (MM5)进行了数值模拟研究。模拟结果分析发现 ,非静力 (MM5)的全物理过程模拟基本上可再现大尺度和中 -α尺度天气系统的发生、发展和演变。采用二重网格双向嵌套技术的细网格模拟结果揭示 ,低压的动力场和热力场之间具有一种强耦合机制 ,即发展的低压具有气旋性涡柱的暖心高湿结构 ,在涡柱低空是湿对流不稳定和负湿位涡结构 ;强垂直上升运动与高空强辐散和低空强辐合以及对流云团的发展互耦 ;与低压相伴的强南风急流不仅是低压和对流云团发展与维持的互伴互耦条件 ,而且也是“96· 8”特大暴雨的水汽源和热能输送带。降水模拟结果分析表明 ,尽管某些降水中心对粗网格偏小 ,对细网格偏大 ,但雨带和雨强分布与观测结果基本一致。

“95.1”高原暴雪及其中尺度系统发展和演变的非静力模式模拟

为了对青藏高原暴雪进行深入的数值模拟研究 ,在对 1995年 1月 17～ 18日 (“95.1”)高原暴雪进行天气分析的基础上 ,利用非静力中尺度数值模式 MM5对该次暴雪过程进行了数值模拟 .数值模拟结果和客观分析结果的比较表明 ,非静力中尺度数值模式 MM5有能力再现地面以上大、中尺度环流系统和热力场 ;同时 MM5能够成功地模拟出复杂大地形条件下“95.1”高原暴雪中尺度低涡的发生、发展及结构演变 .模拟的运动场和云微物理量场的时空演变表明 ,垂直运动场与水汽场的耦合是水汽凝结和冻结成雪的运动学条件 ;气旋性涡柱和上升运动及深厚湿舌的耦合是暴雪形成的一种重要动力机制 ;模拟的流场演变表明流场更能表征高原上的中尺度系统 .

非静力平衡条件下的垂直坐标变换及湿空气动力学方程组

为了解决目前湿空气动力学中一些悬而未决的问题，拓宽物理量垂直坐标系的应用范围，本文讨论了非静力平衡条件下的垂直坐标转换，给出了不同坐标系的转换公式和动力学方程组，最后运用它们建立了湿空气动力学方程组。

非静力AREM模式设计及其数值模拟Ⅰ:非静力框架设计

AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高,制约该模式发展的一个问题日渐突出,即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正,引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组,有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP(Institute of Atmospheric Physics)变换方法,推导出了球面余纬坐标下的非静力框架,并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率,并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点,最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明,当非静力框架退化为静力平衡框架后,方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。

JFNK方法概述及其在大气全隐式非静力模式中的应用方案

首先介绍了近年来新发展的非线性方程全隐式数值求解的JFNK方法,及其在地球流体力学方面应用计算实例。可看到,无论在计算精度还是计算效率方面,全隐式数值求解远远超过常规的半隐式计算格式。其次,还讨论了JFNK方法在气象非静力模式中应用方案,并提出了用静力假定和半隐式差分格式来构造预条件处理器,变三维求解为二维求解,简化了方程组求解难度。该方案不仅可用于差分模式,也为用譜方法求解非静力模式提供可能。

非静力AREM模式设计及其数值模拟Ⅱ:数值模拟试验

在程锐等(2018)中,我们完成了非静力AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率(约1 km)下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS(Advanced Regional Prediction System)、WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。

用中尺度非静力模式制作北京气温和风预报

利用国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”针对业务预报需要 ,开发了 2米温度、10米风的要素预报。通过近一年的预报效果检验表明 ,该系统不仅对一般性天气有比较好的预报效果 ,同时也可以预报出转折性的大风、升 (降 )温等天气过程。与 NCEP的 eta模式相比 ,该系统的温度预报误差与之基本相当 ,而风速预报误差略小于

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 。

非静力平衡模式的中尺度非均匀初始场试验和锋面模拟

用非静力平衡二维中β－γ尺度大气模式，选取１９８７年欧洲的一次冷锋过程为个例，以法国的静力平衡模式的模拟结果为初始场，选用５ｋｍ，２５ｋｍ，４５ｋｍ３种水平格距进行了水平范围为２０００ｋｍ的模拟，结果表明：（１）中尺度非静力平衡模式应用非均匀初始场，而不加人为的初始扰动是可行的；（２）扰动量的初始场中π′的精度要求很高，应严格符合静力平衡条件，否则就会产生严重误差，甚至在一个时步内改变垂直速度；（３）５ｋｍ，２５ｋｍ，４５ｋｍ３种格距的对比模拟表明，５ｋｍ格距的非静力平衡模式能模拟出锋面上的多个中β尺度对流，且垂直速度场分布与实际最接近，而后两种格距只能模拟出锋面上的大范围上升区，不能细致地描述锋面对流结构。

细网格非静力二维高阶闭合模式对山体流场特征的模拟分析

本文采用二阶矩湍流闭合方案，分别就非静力和准静力两种条件建立ＰＢＬ数值模式，并模拟了二维山脊流场的结构，计算了二维山体对气流平均场和湍流场的影响。计算结果表明，无论是平均场还是湍流场，采用准静力假设都会造成模拟结果的较大偏差，且对平均场的影响比对湍流场的影响更为显著。两种模式计算结果的差别还随地形坡度和背景风增大而增大。

非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究

近几年来,随着高性能计算机技术的高速发展,甚高分辨率的中尺度数值预报模式业务应用已成为可能,与之相关的一系列模式技术的新问题也随之提了出来,垂直坐标系的影响就是其中之一。文中借助于美国新一代数值预报模式WRF(WeatherReseachandForecast),比较了非静力中尺度模式高分辨率模拟应用的垂直坐标影响问题。研究表明,当选用几何高度(z)和气压(p)来构造地形追随坐标时,低层两坐标引起的误差基本一样,中高层高度地形追随坐标引起的误差小于气压地形追随坐标;而且分辨率越高差异愈大。高分辨率模拟结果也表明,这种差异趋势是存在的;此外,本文对天气过程的预报要素场进行了相关的分析。

一个用于研究湖泊对气候环境影响的非静力平衡数值模式

本文研制了一个包含云的微物理学参数化方案,地面温度和水温预报方案、边界层湍流参数化方案、长波辐射和短波辐射参数化方案的非静力平衡中小尺度数值模式。在模式中允许地面和大气有反馈过程。模式大气分为18层,土壤、水体以及水底土壤各分为4层,采用了能突出水体影响的网格系统。采用分解算法,平流项采用三次样条插值技术,并用正逆两次平滑来代替方程组中的水平扩散项。模式具有很好的积分稳定性,能精确地再现湖泊对气候环境影响的空间结构和时间变化。

非静力模式GRAPES的预条件技术研究

GRAPES是中国气象科学研究院研制的一个非静力格点模式,该模式以大气运动的全可压运动方程为基础,采用半隐半Lagrange方案。在模式积分中,每个时间步需要求解关于气压梯度力的三维离散Helmholtz方程,该方程组的求解在整个数值模拟时间中占70%左右,为加速求解过程,采用高效预条件技术是必然选择。将提出的多行双门槛不完全分解预条件与国内外常用的多种其他预条件技术进行了比较,同时,考查了针对不完全分解预条件的加性Schwarz与基于因子组合的两种并行化预条件技术,结果发现,多行双门槛不完全分解预条件优于包括ILUT在内的其他不完全分解预条件,且加性Schwarz略优于基于因子组合的并行预条件技术。

全球非静力谱模式动力框架初步设计

基于我国目前已在业务运行的全球静力谱模式,参考ECMWF从静力谱模式到非静力谱模式的升级设计思想,从模式方程组的选取、模式方程组的线性化、水平球谐谱离散、时间积分方法、垂直有限差分离散、Helmholtz方程的求解等几个方面出发,针对浅薄近似的大气,采用Euler对流,初步设计了一个全球非静力谱模式干动力框架,并针对Helmholtz方程的求解,给出了一种将其转化为块三对角线性方程组的计算方法,该方法从计算效率上明显优于ECMWF目前所用计算方法。

大气非静力数值模式中声波的阻尼和压缩

介绍大气非静力弹性模式中声波的阻尼和压缩方法。分析和模拟试验的结果表明，声波的阻尼和压缩能够对模式的解的振幅起到一定的衰减作用。

三次样条函数(格式)准拉格朗日积分方案Ⅱ——样条格式非静力全可压动力框架与密度流试验

采用样条格式二阶时空离散预报方程与显式-准拉格朗日积分方案,建立非静力全可压数值模式动力框架,对气压、气温(位温)、风及广义牛顿力(加速度)场做三次样条函数拟合,实现各个变量场二阶可导,并且按牛顿运动定律,显式迭代插值求上游点"三次运动"路径(三维位移)与预报变量值,同时求得一个时间步长三维位移的平均散度场,并以此绝热变率预报压、温场。其中,通过对静力方程做三次样条拟合,可从非静力气压场分离出(满足静力方程)时变的静压场,从而无须引入大气参考廓线,并因此准确(二阶精度)计算出垂直气压梯度力与位移。密度流试验表明,上述非静力全可压动力框架能够模拟出高度非线性的密度流,初步验证样条格式做"三次"数值模式动力框架的一致性和精确性,同时分析了与密度流试验benchmark参考解相比较存在差别的原因。