数值模式中的回溯时间积分格式

在对微分方程初值问题的数值计算中 ,当采用前向或后向差分格式时有两个时间层次 ,而当用中央差分格式时则有 3个时间层次 .由于把预报问题提为初值问题 ,因此只有一个初始场的信息被利用 .本文从扩展信息源的角度出发 ,对微分方程的时间积分提出了一种新格式——回溯时间积分格式 ,并对在大气、海洋、水文等常用的平流方程进行了实例计算 .制约动力系统的微分方程可以写为 : u/ t=F ( u,t) ( 1 )其中 ,u为状态变量 ,F为除局地变化项外的所有项 ,称为源函数 ,设时间间隔为△ t,式 ( 1 )的时间中央差格式为 :u( t △ t) =u( t-△ t) 2△ t…     

预报方程差分格式的构造方法

本文用差分模拟绝对涡度守恒定律,构成正压涡度方程的两类差分格式:积分守恒型格式和相当于准拉格朗日型格式。前一类型格式的显式部分是条件稳定的,隐式部分是无条件稳定的。后者至为无条件稳定的显式格式,可以依据实际需要和可能,来放大无条件稳定格式的时间步长。 本文还根据格式的计算要求,讨论了“风”场的计算和平滑问题,以及差分方程的边、初条件(计算边、初条件)的给法。并通过理想场计算和实例预报,检验了几种显式格式的计算效果。     

正压涡度方程中考虑粘性项与平滑过程的一些意见

本文首先讨论了如何依据空间步长来选取平滑系数。其次考虑在涡度方程中加上粘性项后对微分方程解的影响,讨论如何选取适当的粘性系数。第三讨论涡度方程加粘性项后对差分格式计算稳定性的影响,证明了在常用时间中心差分格式中应把粘性项取在第(n-1)时间层,这样计算才是稳定的。反之,如把粘性项取在第n时间层,则差分格式计算不稳定。并且时间向前差的格式在加上粘性项后也可以稳定,但要求的粘性系数过大。最后讨论了用涡度方程作数值预告时加上平滑过程与加上粘性项之间的关系,从计算上看,二者并不等价。但可以把平滑过程与扩散方程类比,以确定适当的平滑系数。     

一个修正的σ坐标初始方程斜压模式的分裂显式积分

为了节省计算时间,本文对一个修正的σ坐标初始方程斜压模式作了分裂显式积分的研究。把大气运动分为平流过程和适应过程。在时间积分上对平流过程采用欧拉后差,对适应过程采用向前—向后差分格式,得到积分15天的稳定结果。计算时间比显式节省了60％左右,而预报效果相似。     

在均匀经纬度网格中计算高纬纬向差商的问题

针对在高纬地区计算纬向差商时，常须把时间步长取得很小，或采取Ｆｏｕｒｉｅｒ滤波的问题，提出了可以避免这些困难的差分格式，这种格式可以根据任何给定的、稳定的差分格式构造。在形式上它和后者相同，但要求调整网格距，使之可以取和中纬地区同样大的时间步长，并满足计算稳定性条件，在计算中它很有用，也很方便，几乎没有额外的运算量．而且，如果所根据的格式具有质量或能量守恒性质，新格式也同样具有．     

在均匀经纬纬度网格中计算高纬纬向差商的问题

针对在高纬地区计算纬向差商时，常须把时间步长取得很小，或采取Ｆｏｕｒｉｅｒ滤波的问题，提出了可以避免这些困难的差分格式。这种格式可以根据任何给定的、稳定的差分格式构造。在形式上它和后者相同，但要求调整网格距，使之可以取和中纬地区同样大的时间步长，并满足计算稳定性条件。在计算中它很有用，也很方便，几乎没有额外的运算量。而且，如果所根据的格式具有质量或能量守恒性质，新格式也同样具有。     

适于数值天气预报的分解平流格式

研究证明,在一定条件下,有限多维Taylor展式算符可以化为几个一维算符的积。利用这个结果,可以使二维插值分解为两个一维插值,从而,显著节省计算量。还给出了多维的,任意精度的,空间分解的平流方程的差分格式,并对格式的计算稳定性,物理性质进行了讨论。结果指出,在一维或二维的情况,这种格式的计算稳定性判据是对于二维,它比一般判据对时间的要求宽。还指出,在三维的情况,对一定的d,当Δt=d/max|V|时,ΔR必须满足才能保证计算稳定。在一般所给数据情况下,须Δp大于30mb。     

大气动力学初始方程组的一种数值积分方法

天气数值预报工作中所用的初始方程显式差分格式,时间步长取得很短,实际应用很不方便。比如,空间步长取300公里,时间步长只能用10分钟。本文提出一种新型显式差分格式,其计算稳定性不受时间步长(τ)和空间步长(d)大小的限制,由|λ_e|τ/d(e=1,2,3)的整数部分m_e=[|λ_e|τ/d],控制执行“浮动”计算,保持计算稳定。这种差分格式曾用104电子计算机作检验计算,空间步长用25公里,时间步长取20分钟,计算过程稳定,结果精度较高,可与文献[1]中的结果相比较。这表明,初始方程的差分计算,适当延长时间步长是有可能的。     

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。     

论辐射加热问题的时间积分

在满足有界条件的数值解是计算稳定的定义下, 讨论了辐射加热问题的时间积分, 并证明:如辐射加热和其对时间的一阶微商均连续时, 用向前差分格式计算的数值解是计算稳定的。还用一个例子证明:问题的数值解可以收敛到其解析解。     

一类计算稳定性好的显式平流差分格式

通常的显式平流差分格式，如迎风格式，Lax-Wendroff格式等，均是有条件稳定的,其稳定条件与差分网格的时、空步长有关。本文对线性和拟线性平流方程分别构造了一种计算稳定性好的显式差分格式。对前一格式，本文严格证明了它的无条件稳定性及收敛性，并具有一阶精度；对后一格式，由于非线性方程的限制，本文用数值试验研究了它的计算稳定性。     

有限区域预报中的一些问题

文中首先讨论了在固定边界条件和半固定边界条件下,采用平流方程和浅水波方程计算时引起的误差;给出了误差方程和解析解答。结果证明,在固定边界条件下,采用平流方程时误差以风速从边界向中央传播。在流入处附近,误差使波变平;在流出处附近,波幅增大,波变窄。而采用浅水波方程时,误差则以速度|u c|和|u-c|从边界向内传播。可是,在半固定边界条件下,采用平流方程时误差却只以风速沿气流方向传播,没有波的叠加所引起的波幅增大现象。 根据上述结果,作者提出了,在半固定边界条件下,适于平流方程的逆风差分格式,还对格式的计算稳定性进行了讨论。最后,用这格式作了一维套网格的单向和双向方法的个例计算,并和用蛙跃格式和欧拉向后差格式的结果比较。结果发现,修正的单向逆风差分格式最好。     

一类光滑算子和ε—Spline函数及计算网格点偏导数的一种格式

本文讨论并提出了一类气象上常用的带有可控制参数的光滑算子和一种ε—Spline概念。基于此,统一地给出了正方形(或矩形)网点的数值场的光滑算子公式和计算偏导数的一种格式。 光滑算子和差分格式中所含的参数,可以根据预报方程和滤波要求确定。我们以有限域正压原始方程为例,说明了如何确定对u,v(风场分量)和φ的光滑公式以及差分格式中的参数的方法。     

非线性发展方程的计算稳定性对初值的依赖

本文指出文献[4]中所举一维平流方程的‘蛙跳格式’及‘向前差格式’的计算不稳定特例,只要将初值稍加改变就能使计算保持稳定。并改进了文献[2]中的结果。     

三阶龙格-库塔时间分裂显式算法的误差分析

分析了新一代非静力中尺度数值模式中常用的三阶龙格-库塔时间分裂显式算法(RK3)的稳定性和误差性质,特别是分析了空间中央差分和迎风偏斜两种不同情况下该算法不同的稳定性和误差性质。运用数学软件先进的符号计算功能,分析了该算法涉及的复杂高阶、高次幂振幅矩阵的特征值性质;并通过一维线性声波-平流方程组的数值模拟实验,检验了时间分裂算法的模拟效果。对振幅矩阵特征值模的表达式进行高阶的级数展开,得到了该算法的分裂误差项的公式;而且,由于特征值模的公式保留了较高阶项,可以同时分析迎风偏斜和中央差两种空间差分格式的分裂误差性质。根据分裂误差项公式,定量地比较了三阶和二阶龙格-库塔格式(RK2)的分裂误差大小以及误差与小时间步数的关系,发现迎风格式RK3的分裂误差明显小于RK2的误差,并具有更好的稳定性质。空间中央差格式的分裂误差项具有更高阶数,比迎风格式具有更小的时间分裂误差。对于各种不同波长的特征值分析和采用中央差格式的数值模拟,也进一步证实空间差分采用中央差时,RK3时间分裂显式算法在不同方向传播的声波振幅几乎没有差别。另外,误差公式以及数值试验结果说明RK3的分裂误差也略小于Adams-Bashforth-Moulton分裂显式法的分裂误差。     

耗散与计算稳定性(二)

本文以带耗散项的非线性方程——Burger方程为模型,用截谱形式的差分解代入相应的差分方程,分析了数值天气预报中常用的一类三时间层差分格式的计算稳定性问题,特别讨论了计算初值、时间步长和耗散因子对计算稳定性的影响.利用定性分析和数值试验的方法证实这类三时间层格式有时容易出现非线性计算不稳定,尤其是两步计算初值反号和耗散系数过小的时候是如此.但是耗散系数也不能取得过大,否则也会出现计算不稳定.     

水面蒸发量的一种气候学计算方法

用北京日射站和官厅蒸发站的辐射和蒸发资料对彭曼公式进行订正,得出修正公式 E_0=(ΔH_0+γE_α)/(Δ+γ) H_0=1/59[0.95Q_A(0.167+0.583n/N)-σT_a~4(0.32-0.26e_a~(1/2))(0.30+0.70n/N)] E_a=0.13(e_a-e_d)(1+0.77u),其中H_0是表示为蒸发量单位的辐射平衡,E_a是由风速和饱和差决定的“干燥力”。 自由水面的蒸发量E可用下式表示 E=E_0-F/L,其中F是水面向下的热通量,在升温季节为正值,在降温季节为负值。由于缺少水温梯度观测资料,F不能直接计算。本文建议,对升温或降温季节分别建立水面蒸发E倚蒸发势E_0的回归方程。得出北京地区各月蒸发量的计算公式如下 0.963 E_0-7.0 4—7月 E=0.902 E_0+26.0 9—10月 E_0 8月     

发展方程的非线性计算不稳定问题

进一步讨论了有关非线性不稳定的一些问题,其主要内容有： １．考察了有代表性的三类发展方程,指出其对应的差分格式是否出现非线性计算不稳定,与原微分方程解的性质密切相关。 ２．进一步讨论了带周期边条件的守恒型差分格式的非线性计算稳定性问题,总结了克服非线性不稳定的有效措施。 ３．以非线性平流方程为例,着重分析了带非周期边条件的非守恒差分格式的非线性计算稳定性问题,给出了判别其计算稳定性的“综合分析判别法”。     

有地形模式中气压梯度力误差扣除法

：在现有有地形的数值模式中，陡峭地形区气压梯度力的计算存在一个普遍问题，即计算精度较高的格式比较繁琐而费时，简单省时的格式又不精确和不稳定。为解决这个问题，作者等在最近提出了一种方法，称为气压梯度力的误差扣除法。该方法假定：气压梯度力的计算误差主要来自地形而与气压形势关系较小。用理想场对该方法进行检验后表明，这一方法是成功的。本文则用气候模式对作者提出的有地形数值模式中气压梯度力的误差扣除法进行了模拟检验。所用模式是作者等使用多年的Ｐ－混合坐标系５层模式，选用了四种气压梯度力的计算格式，即ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式、平均温度格式和经典中央差格式。比较了这四种格式在有无误差扣除时的模拟结果，发现：对于计算精度较高的格式，如ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式及平均温度格式，有无误差扣除的结果相差不大，但误差扣除法仍可在一定程度上改善模拟效果。对于计算精度差的格式，如经典中央差格式，在无误差扣除时计算不稳定，得不到模拟结果，进行误差扣除后，从根本上提高了其计算精度，因而也提高了计算的稳定性，达到了较满意的模拟效果。而且与其它格式的模拟结果相当接近。本文提出的误差扣除法可同时用于格点模式和谱模式。     

正压原始方程半隐式样条格式

本文把样条函数应用于半隐式正压原始方程模式,分析了这种格式的精度、线性稳定性条件,讨论了一种用三次样条函数求解Helmholtz方程的迭代法,并证明了迭代的收敛性。实例分析表明,半隐式样条格式计算稳定,预报场光滑完整,与一般差分格式相比,预报系统移速偏慢现象有较明显改进,用于台风路径预报,其结果有参考价值。