用格子Boltzmann方法构建大气动力学模式的初步研究

文中建立了一个格子Boltzmann模型 ,经过Chapman Enskog展开得到的方程组能完整描述正压大气的动力过程 ,成功地模拟了正压地转适应过程 ,对Obukhov的经典例子进行了数值检验。结果表明 ,Obukhov的结果只体现了科氏力和气压梯度力的平衡 ,而本模型可以精确地描述科氏力、惯性力和气压梯度力三者的完整平衡 ,与Obukhov线性理论相比 ,气压变化量的数值相差 2 8% ,说明了线性适应理论只在定性方面正确 ,在定量方面还不准确。数值结果还表明粘性力在地转适应过程中基本不起作用。同时 ,还模拟了一个更大尺度的适应问题 ,验证了气压场与风场适应过程取决于尺度大小这一论断数值试验表明 ,格子Boltzmann方法用于模拟大气运动是可行的 ,而且因其编程简洁方便 ,天然具有极好的并行性能 ,对于建立模拟大气和海洋这样涉及复杂动力热力过程的多相大规模数值模式很有发展潜力     

包含地形的气象场初值化的个例研究

日本《气象集志》1979年8月号刊载近藤洋辉等人的《包含地形的气象场初值化的个例研究》,有如下要点.用包括考虑喜马拉雅山地形在内的初始化方案,作了一次预报试验.根据这样一种想法,即大尺度的大气运动是准水平的并能绕过喜马拉雅山.用人工方法修改初始质量场,使气流作绕山运动而不是作穿越运动.在初始化过程中,已把由于大山造成的大气低层等压面被截断这一因素考虑在内.根据Kondo1978年对辐散正压流体围绕圆周柱流动所作的数值试验取得的结果,假设初始风场是旋转的.考虑沿着截断边缘的内边界条件,得出风的旋转分量,从而解决了平衡方程.     

旋转大气中运动适应过程问题的研究(二)

本文试图对旋转大气中运动适应过程问题的研究作一全面的评述,这里是全文的第二篇,包括三方面的内容,即球面上大气的地转适应过程和旋转适应过程;快波的激发以及涡旋和快波的相互作用问题;适应过程理论结果在天气分析和预报以及数值天气预报等方面的应用问题。     

旋转大气中有限振幅扰动波包与基本气流的非线性共振相互作用

本文应用多重尺度法研究了在旋转球面上正压大气中有限振幅扰动波包与纬向基本气流的非线性共振相互作用。首先,导出了同时包含色散效应和耗散效应的三波共振非线性耦合方程。然后,在零耗散极限和无规相位近似下,求得了不同模态波包的非线性共振耦合方程。并着重讨论了有限振幅扰动波包与纬向基本气流之间的能量输运过程。结果表明,在旋转球面上正压大气中的有限振幅扰动波包通过非线性共振相互作用能够激发出纬向基本气流,而且其能量最终都要输运给纬向基本气流,直至大气运动成为完全的带状环流为止。从而阐明了非线性共振相互作用是大气旋转适应过程的重要物理机制。     

高空形势场数值预报的误差订正

各种数值预报模式虽然在相当程度上模拟了大气运动的各种过程,但毕竟不可能正确地反映大气过程的全貌,也就是说,数值预报模式描述的毕竟是模式大气,而并非真实大气。另一方面,有些物理过程在模式中即使有所考虑,但要定量地真实反映出这些过程还存在着具体困难。这就使计算结果不能不反映出一定程度的失真。此外,在对预报方程组进行数值求解时,无论采用的是差分方法、波谱方法或其它方法,都很难避免计算误差的出现。由于上述原因,用数值预报模式作出的环流形势预报总免不了与实况有一定     

旋转大气中运动的多时态特征和时间边界层

一、引言 众所周知,旋转大气中的运动,存在两个在时间尺度和动力学特征上都有明显差别的过程,即适应过程和发展过程。最近,叶笃正、李麦村等进一步指出:在发展过程中,大气运动还具有迅速变化和缓慢变化的两个阶段,对于这种发展过程中的双时态特征,巢纪平从物理上作了进一步的解释。因此,联合适应过程与发展过程,运动至少存在三个时态,事实上,这种多时态特征是旋转流体中运动的一种固有现象,在本文中,我们将对此作进一步的分析与讨论。     

旋转大气中运动适应过程问题的研究(一)

关于旋转大气中运动的适应过程的各方面问题的研究,至今已获得了许多结果,本文试图作一全面的评述。全文分六个部分,本期发表前三部分,包括弓信、正压大气和斜压大气局地扰动的情况,讲述地转适应过程和演变过程的可区分性、小扰动线性化方程情况的地转适应过程和非线性完全适应过程、地转适应过程和演变过程的相互作用、多时间尺度现象、近赤道地区扰动演变的特点、初始场水平尺度和垂直结构的影响、科氏参数变化的影响、能量弥散过程以及静力平衡适应、热力因子和摩擦的影响等问题。其余三部分将在下期发表。     

用样条Galerkin方法近似解正压原始方程组

用双三次B-样条作为基函数,对矩形域上的正压原始方程组构造了一种较高精度的Ga-lerkin近似;给出了相应的数值解法,并在TQ-6机上得到实现。初步的数值试验表明,计算过程是非常稳定的,对旋转适应过程的模拟是成功的。对一个实例所做的48小时预报可与较高分辨率的差分模式相比。     

正压原始方程的一个数值试验

本文为应用正压原始方程作数值预报的初步试验。采用时间空间中央差分进行数值求解。通过试验确定了一种简单可用的边界条件及初始条件。 应用此方案对四个天气实例进行了24小时预报。计算结果尚好。对这四个实例中所包括的正压天气过程一般能较好的反映出来。     

有效的正压原始方程拟能守恒保真（拟）谱模式

本工作遵循保真计算原理与方法,对正压原始方程气象传统全球（拟）谱模式方案进行改造,构造了正压原始方程拟能完全守恒（拟）谱模式新型保真计算方案,解决了正压原始方程的（非线性）计算稳定性问题和拟能守恒整体性质保持问题,改进了相应正压原始方程气象传统全球（拟）谱模式方案的计算效能。新型保真方案的数值实验表明,计算实践中,新方案在解决拟能守恒问题的同时,可解决（非线性）计算稳定问题,并在一定条件下可解决非线性计算收敛性问题。进一步的比较数值实验还表明,计算实践中,新型保真计算方案在提高相应气象传统方案的计算精度、     

振荡型Rossby孤立波与大气阻塞

从正压涡度方程出发,在弱非线性和弱其流切变条件下,导得了描述非线性大气长波活动的推广的Ｋｄｖ方程,并得到了方程的孤立波解及其色散关系。取近似于实际大气运动的物理参数作数值计算,得到了振荡型Ｒｏｓｓｂｙ孤立波的水平结构和移动特征,其结果较这建党的Ｋｄｖ孤立波更接近于实际大气中的阻塞流型。     

数值模式误差订正方法初探

鉴于大气系统的复杂性,实际的大气运动方程包含许多数学简化。这些简化的方程组虽能模拟大气运动的主要特征,但无法揭示天气演变的所有细节,这将导致数值模式的预报能力受到极大限制。只有完善大气运动方程本身的确定性框架,才能从根本上减少预报误差。若无其他手段的帮助,仅依靠推导方法获取大气运动过程中的所有微分表达式将十分困难。演化算法具有自适应、自组织特征,它能处理复杂的数学问题,可从观测资料所蕴含的丰富信息中挖掘系统的动力学。本文结合演化建模的智能算法,提出了一种数值模式的误差订正方案,并以一维典型混沌系统Logistic模型为例,探讨了误差订正方案的有效性。数值试验结果表明该方法对模式误差有较强的反演能力,值得进一步深入研究。     

长时效的正压原始方程能量完全守恒(拟)谱模式

遵循误差反演补偿新计算原理,对正压原始方程传统气象全球拟谱模式方案进行了改造,构造了正压原始方程能量完全守恒全球拟增模式新计算方案,解决了正压原始方程的（非线性）计算稳定性问题和能量守恒整体性质保持问题,改进了相应正压原始方程传统气象全球拟谱模式方案的计算效能。新方案的数值试验表明：在计算实践上,新方案在解决能量守恒问题的同时,可解决（非线性）计算稳定性问题,并在一定条件下可解决非线性计算收敛性问题。进一步的比较数值试验还表明：在计算实践上,新方案具有在提高相应传统气象方案的计算精度,减少其计算量的同时,延长其计算时效,解决其中一类特定“气候漂移”问题方面的效用。本工作原理也适用于斜压原始方程情形。     

亚洲季风变动与大气正压/斜压运动动能变化的气候特征

使用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ４０年（１９５８～１９９７年）月平均再分析资料,通过动力学论断研究了大气斜压／正压运动动能的变化及其相互转换,分析了亚洲季风变动与这两种动能变化的联系。指出：季风区大气运动动能的组成和变化具有独特的特征。冬季风时期大气斜压运动动能与正压运动动能具有正相关线性关系,斜压运动能向正压运动动能转换;春、秋季无论是东亚还是印度季风区斜压运动动能与正压运动动能之间转换都处于极小值,只是     

第六讲 数值天气预报模式中的物理过程(一)

在数值天气预报和大气环流数值模式中,有两个问题必须要解决,一是要有一个好的描写大气运动的数学方程组,并且要有尽可能接近微分方程组解的数值求解方案。二是要能较好地描述大气中的     

自由表面海洋环流模式的正、斜压模分解算法

大气物理研究所海洋环流模式（IAP OGCM）特点之一是消除“刚盖”近似，引入海面起伏作为模式的预报变量。为此，需设计有效的时间积分方案，以克服模式中所保留的表面重力波对时间步长的苛刻限制。本文给出了适应过程中流场正压和斜压模分解算法。研究表明，把海洋模式适应过程进一步分解为与海面起伏相联系的正压模和与密度不均匀分布相联系的斜压模，用不同的时间步长数值求解，计算效率可提高数倍以上。文中用四层IAP OGCM在北太平洋区域定量地比较了节省计算时间的有效性，并给出数值计算实例。     

热带大尺度大气运动的多时态特征

本文采用多时间尺度方法分析热带大气的大尺度运动,得到了三个阶段的运动性质。结果表明,热带大尺度大气运动与中纬度大尺度大气运动一样,具有双适应现象,即第一阶段由于重力波频散,产生了地转适应;第二阶段由于长波频散,产生了位涡适应。 同时指出,运动的三个阶段的演变过程,可以统一为位势涡度适应过程,这是一种非线性过程,而地转适应是位涡适应的初级阶段。      

大气中的包络Rossby孤立波——纬度效应的作用

本文进一步对旋转正压大气中的包络Rossby孤立波进行了研究，结果发现当Rossby波的波数m（m为纬向波数）满足1≤m≤2时，旋转正压大气中才存在包络Rossby孤立波，并且只有m＝2的包络Rossby孤立波才具有阻塞高压的结构。我们还对这种m＝２的包络Rossby孤立波随纬度变化的持续性进行了计算，得到了许多结果。     

热带大气运动的特征

本文用小参数展开方法,探讨了热带大气中的特征运动及其基本属性.理论分析表明: 热带地区的超长波系统有中纬度长波的类似性质.其快过程是地转适应过程,有重力惯性波的活动;而慢过程在零级近似下是地转风,流场具有水平无辐散性质,在一级近似下是类似Rossby波的慢波,运动满足位涡度守恒的条件. 热带大气中的中间尺度运动,时间尺度远大于平流时间时为旋转风,是一种定常涡旋;时间尺度近于平流时间时,运动是水平无辐散的,且保持相对涡度守恒;若时间尺度远小于平流时间,则表现为重力波的活动. 热带大气中水平尺度近于10~6米     

环流调整机制的动力学剖析

本文从基本方程出发,求得并讨论了层结参数方程和位势涡度方程。从位势涡度方程可以看出:①绝热无摩擦大气运动中的位涡守恒仅在正压条件下或者在地转平衡条件下才能成立;②在无摩擦大气运动中,绝热假定同热流量垂直方向按A_0(x、y、t)ρ~(R/C_ρ)分布在正压或满足地转平衡条件下是等效的;③位涡从不守恒到重新守恒的过程,即动力激发数M→0的过程是斜压地转偏差产生和热流量输送改变的过程。这种过程我们称之为动力激发适应过程。 通过对上述过程的讨论,我们进一步探讨了环流调整(包括斜压地转偏差的产生和适应)的机制和条件。由于斜压地转偏差的产生同适应过程一样是快过程,因此环流调整是一个快过程。当R=U/fL和中够小时,容易发生环流调整。 最后我们还讨论了大气运动的动态平衡的破坏和建立。指出:斜压地转偏差的产生是在位涡不守恒情况下产生的,而地转偏差的适应却是在位涡守恒的情况下进行的;环流调整时间是同天文潮汐力场转折性变化和热流量分布的转折性变化时间是同步的。