正压原始方程套网格试验

本文用“单向”(one—way)方法进行正压原始方程套网格试验。粗、细网格均采用空间分解准拉格朗日格式和由廖洞贤等提出的与此差分格式一致的内边界条件(即方案二)。试验结果表明,用方案二作出的24小时细网格预报,与按半动量格式和粗网格直接给细网格提供内边界条件(即方案一)所得的结果相比,去除了在流出处出现的不稳定,系统的流入、流出也较好。这两种方案再加上Davies“松弛区域”的方法(分别为方案四,方案三),其结果与上述类似,且方案四比方案二还要好些。     

再论不等距差分格式的计算紊乱问题

不等距差分格式中存在的计算紊乱问题在文章[1]中已有较好的研究,那里比较了三种构造不等距差分格式的方法,给出了“超高频”条件的表达式,并指明:当出现“超高频”条件时,波不能穿透“界面”,由细网格一侧传到粗网格一侧,而在细网格一侧产生完全的伪反射.但该文没有分析所有可能的情况,本文再用物理分析和数值试验的方法对该文未曾分析的情况进行了详细研究,主要结果有:1.在特殊情况下,即在频率等于临界值时,理论和数值试验结果都表明,不仅在细网格一侧有伪反射,而且在粗网格一侧还有放大的透射波.2.当区域中布多种网格时,不     

不等距差分格式的计算紊乱问题

本文用物理分析方法研究不等距差分格式和大小网格相配套的格式中存在的计算紊乱问题,指出在一般情况下,当扰动由粗网格进入细网格时,在粗网格一侧将产生二倍格距的寄生伪反射;若扰动由细网格进入粗网格,在细网格一侧也产生上述的寄生伪反射;而且当振动频率较高(“超高频条件”)时,波动能量几乎全部变为寄生伪反射波,产生严重的计算紊乱。因此设计计算格式时,必须注意避免形成“超高频条件”。文中还比较了三种构造不等距差分格式的方法:(a)坐标变换法(b)加权平均法(c)Isaacson法。指出:当不出现超高频条件且波长>6δs时,三法都可给出较小的寄生伪反射率,而以(b)法为最优。但当波长较短且无超高频条件时只有(b)法才能给出较小的寄生伪反射率。     

中尺度模式中不同对流参数化方案的比较试验

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,粗细网格采用不同的积云参数化方案对降水预报有一定的影响。采用常用的四种积云参数化方案,粗细网格进行不同配置,对辽东半岛大暴雨过程进行试验发现：细网格信息可以通过嵌套边界向外层传递,影响外层预报结果。细网格选取GR方案比选取AK、BM、KF方案模拟效果好很多;细网格参数化方案不变,粗网格取不同的参数化方案,对细网格的模拟结果差别不大。但选取一个好的参数化方案对细网格的模拟结果会稍有改进。     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

移动型套网格台风路径预报模式的初步试验

数值预报中的套网格方法,国外已经用于实际业务工作。套网格有二种方式:一种是粗、细网格分别计算,在积分过程中细网格的边界值由粗网格的预报值不断更新,它只存在一个方向的影响;另一种是粗、细网格分别预报,不仅细网格的边界值取自粗网格的预报值,同时细网格的预报值还要传递给粗网格,即存在着二个方向的相互作用。目前大量使用的是第一种方式的套网格。针对一些特殊的天气系统如台风等,还设计了移动型套网格模式。     

三类陆面模式模拟土壤湿度廓线的对比研究

针对不同陆面模式对土壤湿度方程求解方法以及对土壤分层结构的差异, 本文选取了三类陆面模式（CLM, CABLE和ECMWF陆面模式）作比较研究。为了避免不同模式参数化方案引起的上边界误差, 上边界采用固定蒸发率、 入渗率和固定表层土壤湿度三类边界条件。土壤分层采用101层（细网格）和11层（粗网格）两种, 并考虑土壤性质沿深度变化。结果表明： 当土壤性质均匀时, 求解的差别主要在第三类边界条件下CLM 求出的水分入渗速度比其它两种快; 改用粗网格后由于土壤深层厚度加大无法与细网格得出的土壤湿度廓线相重合。当土壤性质非均匀时, 模拟结果间差别加大, 只有ECMWF模式模拟的土壤湿度廓线是严格连续的。对于模式和上边界的不同组合, 粗、 细网格模拟结果间均方根偏差不一致。一般而言, CABLE模拟的偏差除第一类条件较小外, 其它都是最大的。第二三类边界条件引起的偏差较大, 第一类最小。上述结果提示我们, 在比较不同陆面模式以及用观测资料来检验模拟结果时应充分考虑土壤分层及土壤性质非均匀性的可能影响。     

应用于双向套网格模式的一种变格距差分解法

本文提出了一种用于双向套网格模式的变格距差分计算方案。该方案在不同格距的网格区采用不同精度的差分格式，它自然地连接粗细网格，避免了一般套网格方案在粗细网格相重合点上进行的重复计算。用解析法和数值试验证明了:它与其它一些变格距差分格式相比，对短波的穿透能力有明显改进，虚假的反射也较小。应用该方案建立了正压原始方程双向套网格模式，并采用空间分解和时间分解计算方法。这不仅使二维问题转化为二个一维问题，而且二维套网格也可简化为一维均匀网格和一维套网格两部分，从而使计算和程序简化。用理想场为初值所做的一系列数值试验表明，该模式中的波可以自由进出粗细网格区，计算稳定。最后，还用该模式做了台风路径预报试验，给出了一些试验结果。     

气候模式一重,二重区域嵌套方案的试验研究

本文采用美国俄勒岗州立大学(OSU)两层大气环流模式,进行一重、二重嵌套区域气候模式的试验研究。研制细网格区域模式是目前气候模式发展的一个重要方向。本文实施一重、二重嵌套方案的月平均模拟结果表现了实现多重嵌套区域气候模式的可行性,即模拟平均场能够描述区域气候特征,且具备在细网格(d/2或d/4)感兴趣区域添加更详细资料(地形、植被等)的条件;本文运用An(?)hes等(1989)提出的张弛逼近方案处理侧边界,在一重、二重嵌套试验中均取得较佳计算结果。     

有限区域套网格数值预报模式的侧边界处理技术的研究与试验

本文选择了几种有代表性的侧边界处理方案,利用三维十一层原始方程模式,引进套网格技术,用1983年3月14日20时的实测资料作为初始场,对一次倒槽气旋的南下过程进行24小时数值预报试验。通过预报试验,调试出了适合于模式的侧边界处理方案,试验表明,该方案能使天气系统自由出入细网格区域而不伴有明显的二倍格距波。具体地说,所预报的倒槽气旋及其后部的高压都能进入细网格区域并且东移发展。而细网格区域东部的高压主体则逐渐地从细网格区域东移出去。同时发现,对所试验的数值预报模式而言,在目前流行的两种处理侧边界问题的途经中,通过在侧边界邻域上引进一定宽度的侧边界过渡区,或者通过部分修正原动力学方程组的性质而引进某种形式的附加修正项,使之减弱超定义性质的途径比直接估算所谓的局地相速或特征相速而在各个侧边界有区别地应用流入流出边界条件的途径,具有运算简单,预报效果好的优点