GRAPES全球非静力大气模式的正规模分析

为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出:GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响.

GRAPES全球模式静力平衡奇异向量改进及应用试验

采用线性化物理过程方案的GRAPES全球模式奇异向量在进行非线性模式积分时会有部分奇异向量出现崩溃问题,这说明奇异向量结构可能存在扰动变量之间不协调之处,需要对奇异向量扰动的计算方法优化,进而改进基于奇异向量的集合预报初值扰动,提高GRAPES全球集合预报效果。基于原有的GRAEPS全球奇异向量计算方法,在求解奇异向量时,对气压扰动的处理进行改进,将初始时刻的气压扰动分量通过位温扰动根据静力平衡关系导出获得,其他保持一致,发展了静力平衡奇异向量改进方法。基于有两个台风过程的个例(2019年8月8日12时(世界时)),分别采用原奇异向量方法和静力平衡奇异向量改进方法进行热带气旋目标区奇异向量的计算求解,并进行相应奇异向量的非线性模式积分,对比分析奇异向量非线性积分的稳定性。进而,对比分析奇异向量求解方法改进前、后热带气旋奇异向量的结构特征和初值扰动特征,开展了集合预报试验,评估改进后的奇异向量求解方法对GRAPES全球集合预报系统预报性能的影响。试验结果表明,静力平衡奇异向量改进方法通过产生协调的气压扰动和位温扰动场,解决了奇异向量非线性积分崩溃的问题,消除了原来不利于积分稳定性的气压扰动过于局地化的小尺度结构。静力平衡奇异向量改进方法对奇异向量中位温扰动分量和纬向风扰动分量结构影响较小,使得气压扰动分量的大值区位于台风附近,更好地描述热带气旋初值不确定性,与位温扰动分量的分布更加协调。采用静力平衡奇异向量改进方法,可以提高GRAPES全球集合预报在北半球和南半球等压面要素集合预报技巧和中国地区24 h累计降水概率预报技巧,增大台风路径集合离散度。

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式。模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数，并具有最优协调分辨率，弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷。数值试验表明：模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力、在条件性对称不稳定条件下，扰动发展呈现为强倾斜环流特征，垂 直速度场有狭窄的强倾斜上升运动，与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展。诊断分析表明： 在扰动发展演化过程中，条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在。

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高，非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进，从理论研究和应用的角度看，有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差，指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时，相对误差小于４％，当Δｘ≤１０ｋｍ时，相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同，静力模式计算的重力波频率被夸大，计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式，对静力平衡模式作了惯性项订正，个例试验也肯定了上述结果。

三维非静力中-β尺度动力学预报模式的应用Ⅰ:数值模式介绍

建立一个三维非静力中－β尺度动力学预报模式，模拟地形的动力和热力作用所产生的大气现象。模式包含以下功能；放弃静力近似的假设；垂直方向采用地形跟随坐标，以表现实际地形的动力和热力作用；用较细的网格以提高空间分辨率和精度；通过他表能量平衡方程计算，反映地表的热力作用。其中太阳辐射吸收考虑了地形的波向作用，他表潜热和水汽通量考虑了植被作用；闭合方案采用O’srten的K（z）闭合方案。

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.

三维非静力二阶闭合PBL模式的初步研究

采用二阶距湍流闭合方案,建立了一个复杂地形下的三维非静力边界层预报模式。通过该模式,细致地模拟了北京地区的风、温时空变化和湍流场变化。结合地面、探空和气象塔的实测资料,进一步研究了该方案在三维空间上对平均场和湍流场的预报模拟效能。结果表明该模式能较好地进行平均量和湍流量的模拟和预报。

中尺度非静力模式中常用气压分离技术的研究

分析了气压分离和不分离 ,在几种不同的层结情况下 ,垂直气压梯度的截断误差。结果表明 :基本场取法不当 ,会引起巨大的截断误差 ,甚至和不分离时相当 ;反之 ,则较小。根据计算 ,提出了一种取基本场的方法 ,在一定条件下 ,可以使气压偏差的垂直梯度的截断误差比不分离时的相应误差小一个量级 ,从而 ,可以取较小的垂直分辨率。

湿润大气中锋生的非流体静力模拟

1.引言在过去二十年间,大量观测已揭示出伴随锋面系统的带状降水结构.这些研究强调指出,千差万别的天气现象是发生在锋面系统内包含的不同时空尺度上.因此对降水带的理解和预报,是一项困难的工作.半地转理论(Hoskins和Bretherton,1972)是当今全面阐述锋生过程的最合适的基本构想.为改进对锋面的描述,通过显式模拟对流和大尺度气流,用非流体静力云模式(Redelsperger和Sommeria,1986)对由切变引起的锋生,进行二维高分辨率(5km)模拟.

北京地区中尺度非静力数值预报产品释用技术研究

在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预报业务系统”基础上 ,充分利用高分辨率中尺度数值预报产品和地面加密气象观测资料 ,分别使用统计和动力释用方法进行局地温度、风和北京市区空气污染状况的预报。试预报结果表明 ,用卡尔曼滤波方法建立的温度和风的预报效果高于中尺度数值预报直接输出结果 ;使用中尺度数值预报结果作为一个简单的污染预报动力模式的气象背景场 ,进行了污染预报试验 ,结果表明该预报方法具有一定的预报能力 ,其中SO2 、NO2 、CO浓度的预报准确率在夏、秋、冬三季中均可达到 6 5 %以上。

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。

GRAPES业务全球集合控制预报初值的动力升尺度方法

以生成GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值为目的,基于GRAPES全球模式,开展了控制预报初值生成方法研究,发展了高分辨率初值动力升尺度方法,并检验了不同方法的可行性。通过对比不同方法产生的初始场形态,证实了仅仅对高分辨率初始场进行二维水平插值存在不足,基于静力学方程对Exner气压变量进行三维插值至关重要。结果表明,动力升尺度方法利用静力平衡关系,对全场的温压场进行调整,使之协调平衡,可以改善二维水平插值方法导致的初始位势高度场和温度场的噪音问题,产生适用于GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值。

中尺度大气模式MM5简介

本文介绍了中尺度非静力大气模式 MM5 的动力框架、模式物理过程计算和参数化方法以及模式系统流程。

GRAPES全球非静力模式研究进展

随着高性能计算机的快速发展，世界上发达国家业务中心全球模式的分辨率大幅度提高，世界气象组织提供的数据表明，未来三年全球业务模式的分辨率将达到25kM。目前的谱模式大多采用静力平衡近似，但静力平衡仅在垂直与水平尺度之比较小时成立，当模式分辨率小于10kM时，静力近似则变得有问题了。随着高性能计算机的发展，

次天气尺度系统中的非地转运动和广义平衡模式

研究了宏观准静力的次天气尺度系统中非地转运动的机理。较以往更具体地揭露了在全运动的时间尺度远大于惯性重力波的前提下，各类强迫因子与非地转运动的旋转分量及辐散分量的关系。并证明上述“慢变化”前提在各种常见情况甚至包括几类熟见的强系统情况下都能满足。除了众所周知，强的准二维系统可允许传统形式的Ｒｏｓｓｂｙ数Ｒ０≡Ｕｆ０Ｌ≈○（１）以外，这里还证明水平尺度小但铅直方向深厚，并包容着强对流云群团的系统恰恰能容忍特别强的非绝热而保持慢变化。相应地，其中辐散运动可以只比旋转运动小“半个量级”。突破了迄今各类过滤模式对辐散运动的过严限制。在能满足慢演变的条件下，非地转高频波振幅总可被自然、及时地控制在可忽略的水平上，这表明慢演变与准平衡的一致性。按照严谨的尺度分析，在上述讨论的过程中顺势导出一个“广义平衡模式”。方程中含有强迫场的一阶时间导数项。虽然容许强非绝热和放宽对辐散风的限制，却能以最大限度（这个限度是固有的）的精确性描述滤除高频波的慢演变。这个模式必须屏弃“主导气流”与“次级气流”的区分，包含了一个辐散风倾向的诊断方程。

海岸边界层模式中闭合方案的模拟分析

本文建立一个三维非静力边界层模式对杭州湾附近复杂地形域区进行了数值模拟。模式采用常用的能量闭合和一种新的非局地反梯度闭合方案，结合实测资料，以验证不同闭合方案模拟实际大气的能力，进一步分析三维边界层模式的效能。结果表明，两种闭合方案都能较好地模拟海陆环流及温度场，而反梯度闭合比能量闭合更能细致、敏感的模拟湍流场随地形的变化，且模拟结果与实测更接近。

基于某低空飞艇压力高度及载荷能力的研究

由于大气压力、温度随着海拔高度的变化而变化,在飞艇升降过程中,艇囊中的浮升气体(氦气)随着外界大气压力、温度的变化产生压缩或膨胀,使飞艇净静升力发生变化,从而影响了飞艇的载荷能力和能够达到的海拔高度。为了在标准大气(International Standard Atmosphere)和非标准大气(Off-Standard Atmosphere)条件下,研究了飞艇压力高度随充氦体积变化规律和载荷能力随高度变化的规律,给出了充氦体积占飞艇总气囊体积比例、压力高度、净静升力和有效载荷之间的变化关系,并结合某低空试验飞艇进行了仿真计算和分析,为飞艇的总体设计和实际使用提供了理论基础。

基于RC框架结构的失效倒塌模式

目前我国存在大量已建非延性钢筋混凝土(RC)框架结构,文章针对这类RC结构在遭受外力作用时的破坏模式进行研究分析。采用拟静力分析方法研究以五层RC框架结构为代表的多层RC结构的失效倒塌模式。研究结果表明基于已有的试验数据采用Open Sees有限元建模验证了针对RC框架结构数值模拟的正确性;表明了RC结构首先在结构底层柱下端塑性铰区出现损伤破坏,且同一楼层边柱塑性铰区较中柱损伤严重,逐渐向顶层塑性铰区发展最终使整体框架结构整体发生破坏直至失效倒塌。

广西对流尺度数值天气预报模式系统建设与效益评估

广西现运行的对流尺度数值天气预报模式系统基于华南短临预报模式CMA-GD(R1)经本地化开发建立。介绍了该模式系统所采用的新技术:包括三维静力参考大气、迭代式SISL方案、多进程并行I/O、并行Nudging同化等,分析了业务运行情况及模式预报初步检验结果。应用实践证明,模式系统可以高效稳定运行,提供了逐12min更新、预报时效为6h的模式预报产品,为强天气短时临近预报提供参考。

长江三峡水库气候效应数值模拟

在地形坐标系中建立了一个三维静力平衡的大气-土壤耦合模式,模式详细考虑了复杂地形、植被和水面的热力、动力过程。与其它中、小尺度模式相比其独特之处是:此模式在地表与植被冠层建立的辐射平衡方程和能量平衡方程中,均详细地考虑了坡度、坡向的影响。观测表明,长江三峡江面水温的日变化小于3℃。长江三峡段水流湍急,江水上下交换十分剧烈,各处水深变化较大,使模拟江水的动力、热力过程变得十分困难。所以,在研究中忽略了江水温度的日变化,模式中作为动力、热力外强迫因子,水库建成后的改变仅为水面海拔高度的升高和水面区域的扩大,水面温度是常数。用此模式模拟研究长江三峡建成前后气象要素场的日变化过程,通过计算它们的差别来分析水库的小气候效应。结果表明风、温、湿气象要素场在方圆近10km范围内均有不同程度的改变,但变化幅度不大。