正压原始方程有限区域谱模式的预报试验

本文包括四方面内容; (1)给出一个单向嵌套的有限区域浅水波方程谱模式的具体方案及其预报试验结果。这个模式基于文献。其特点是:基本展开函数为“修正的双傅氏级数”,它由两部分组成:正交双博氏级数及非正交的线性函数,这两部分之间互不正交。 (2)对同一实例,比较了谱方法,差分法,假谱法24h,48h预报结果。甚至同格距缩小一半的差分法相比,谱方法预报效果仍优于差分法预报效果。 (3)试验了谱模式的固定边界、刚体边界、侧边界条件随时间变化但不加松弛处理,以及侧边界条件随时间变化加松弛处理四种方案。结果表明,合理的边界条件及有效的边界处理方法对谱模式来说是至关重要的。 (4)提出并试验了谱模式的一种地形区计算方案,有助于谱模式中对陡峭地形的处理。     

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。     

中尺度模式中p-面与σ-面扩散差异的数值分析

对常用的四阶线性水平扩散的两种方案进行了量纲分析和简化，并用有地形中尺度模式对两种方案做了详细的对比数值试验和分析。一种方案是在σ－面上计算水平扩散（以下简称为方案Ａ），另一种方案是通过坐标变换使扩散在准ｐ－面上进行（以下称为方案Ｂ）。试验结果表明，在地形平缓区域，两种方案的预报差异较小，而在陡峭地形附近，则预报差异很大，两方案的２４小时降水预报差异可达５０ｍｍ以上。原因是方案Ａ中出现了温度和湿度     

斜压大气中地形扰动过程的一个数值试验

本文应用了考虑地形边界的三层模式对一个纬圈环流的初始理想场进行了60小时地形扰动过程的数值计算。试验结果表明地形扰动影响具有一定的时滞性(扰动过程在48小时后才趋于相对稳定状态)。其次,西藏高原对带状流的强迫分支(绕流现象)在计算结果中有较明显的反映。在半球范围内形成的地形槽脊位置基本上亦与环流平均槽脊位置较为相似,这表明模式中所取边界条件的基本适用性。     

阴阳网格上质量守恒计算性能分析

质量守恒数值计算是球面准均匀阴阳网格构造全球大气环流模式的重要条件,也是提高阴阳网格应用质量的重要技术手段。本文针对通量形式平流方程,在球面坐标上采用多种理想数值试验对阴阳网格上的三种守恒计算方案和边界插值非守恒计算方案进行了比较检验。发现,质量守恒方案不仅对全球数值积分重要,还影响数值计算精度,满足局地守恒条件的全球强迫守恒方法可以获得较高的精度;网格内质量均匀分布的阴阳网格边界通量一致性守恒强迫计算方案,实现了在不增加计算误差条件下保证局地和全球守恒的目的,且具有很小的计算负担,可以作为阴阳网格上全球质量强迫守恒的有效计算方案;而网格质量的线性分布可以有效提高阴阳网格的数值积分计算精度,但在一定程度上会增加计算负担。     

基于高分辨率地形数据的模式地形构造与数值试验

针对2008年7月20-22日四川盆地区域性暴雨过程,通过引入高分辨率的地形数据构造不同的模式地形,进行了WRF模式综合地形处理方法(TESTC)、不同多项式截断阶数的切比雪夫滤波方案(TEST5)和5点权重平均处理方案(TEST7)的地形试验。结果表明:(1)引入不同分辨率的地形数据,且采用不同的地形滤波方法,对模式预报效果是不一样的。相对而言,基于高分辨率地形数据,采用90截断阶数的TEST5试验略显优势。(2)三种地形处理方案不同程度地反映了主要降雨带的位置和强度,TEST5试验模拟的四川盆地东部降水强度较实况偏强,但降水演变和降水落区更接近实况,TEST7试验总体模拟效果介于TESTC和TEST5之间。(3)不同地形处理方案带来四川盆地及周边地形高度和坡度的变化,通过影响与中尺度系统相伴的物理量,进而影响降水落区、强度与降水进程。(4)由于地形处理差异,在四川盆地东部地形坡度较大区,地形扰动增强风场脉动,TEST5试验带来更大的东西风切变,而水平风场的辐合使低涡系统加强,辐合上升运动加强,将更多的低层水汽带到高空。TEST5试验模拟的低涡更强、位置偏东,导致低涡影响下的降水强度更强,落区偏东。     

对流尺度集合预报中模式地形扰动对其预报技巧的影响研究

基于在重庆市气象局业务运行的对流可分辨尺度(3 km)集合预报系统,在已有初值扰动、模式物理过程扰动和侧边界扰动的基础上,对不同集合成员采用不同地形插值方案和地形平滑方案实现对模式静态地形高度的扰动,体现数值模式中地形转换过程的不确定性,开展集合预报批量平行试验。结果表明:(1)实现对模式静态地形高度的扰动后,各集合成员地形高度的离散度与实际地形的起伏程度对应关系较好,两者空间分布特征非常相似,地形较平坦的平原地区离散度较小,而地形较复杂的高原地区或山区离散度较大;(2)加入模式地形扰动方案后,集合扰动能量总体上有所增大,且低层比中、高层更明显,能量增幅在较短预报时效(12 h)内最显著,随着预报时效延长呈逐渐减小趋势,且能量增幅大值中心主要出现在地形较复杂、集合成员地形高度离散度较大地区;(3)模式地形扰动方案一定程度上能提高降水概率预报技巧及改进集合平均降水预报,在对高空要素和2 m温度、10 m风场等近地面要素的集合平均均方根误差和集合离散度无负面影响的前提下,能一定程度上优化集合分布。     

WRF中三种边界层参数化方案对新疆2.28大风过程模拟的对比分析

许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,但是这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层。对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的不同性能以及所带来的不同边界层气象要素的预报还不清楚。运用WRF3.4.1中三种边界参数化方案（YSU、MYJ、ACM2）对新疆2.28大风过程进行数值模拟分析,结果显示：三种边界参数化方案基本能模拟出发生大风的区域及大风过程中10m风速、2m温度和比湿的变化趋势;三种方案模拟的边界层内大气的温度、湿度出现差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果使得更多的高空动量下传,同时更多的有效位能转化为动能,MYJ方案模拟的20m/s的风场区域更大,受地形影响更明显,边界层内湍流更强。     

阴阳网格上通量型非静力模式动力框架的理想试验

为改善球面经纬度网格在高分辨率应用的苛刻限制,提高全球大气动力模式的时间积分效率,选取以阴阳网格为基础构建通量型非静力大气模式动力框架,采用有限体积法和通量型平流显式算法积分方案,保证模式的守恒计算性能。该动力框架在标准三维大气理想试验中进行了中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,罗斯贝-豪威茨波试验和山脉罗斯贝波试验中均表现出很好的稳定性和三维计算效果,其中水平2.5°分辨率模式的平衡流垂直速度误差为10-5量级,而经向速度误差在10-2量级,罗斯贝-豪威茨波保持基本波形稳定传播,而地形罗斯贝波试验则给出背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。      

Pressure gradient errors in a covariant method of implementing the σ-coordinate: idealized experiments and geometric analysis

本文针对经典σ坐标的气压梯度误差(PGF误差),采用多种地形展开理想试验,对比经典σ坐标的经典方案和协变方案的PGF误差。结果表明:计算空间中,协变方案始终能减小经典方案的误差,地形越陡,效果越明显。然而,几何分析和理想试验均表明:协变方案仅能减小计算空间的误差,不能减小物理空间的误差;相比经典方案,正交地形追随坐标能同时减小计算空间和物理空间的误差。     

阴阳网格守恒算法的设计和改进

阴阳网格上的质量守恒算法对于阴阳网格在全球模式构建和应用具有重要意义,是模式长期稳定积分和保证计算效果的重要性能指标。本研究在已有的质量均匀分布假定下阴阳网格守恒强迫算法的基础上,构建网格内质量的双线性分布和边界通量线性分布的质量守恒强迫算法,以提高阴阳网格平流计算的精度和模式积分的稳定性。运用CIP-CSLR平流方案对通量形式平流方程数值求解,分别通过"余弦钟"平流试验、正弦波试验和变形流试验对质量双线性分布、边界通量线性分布的新方案与质量和通量均匀分布的原方案进行了对比,标准化误差和标量场分布均表明新方案可有效提高阴阳网格守恒算法的计算效果,且计算负担没有明显增加,具有较好的实用价值。     

套网格预报中几种边界条件的试验

采用国家气象中心五层原始方程业务模式，用单向自嵌套方法，对常用的几种侧边界条件进行了对比试验。结果表明：加密网络可以改善预报效果，在试验的几种边界处理方案中，以Ｄａｖｉｅｓ方案的效果最好，不需要采用其他技术处理，就能使边界附近不产生扰动，分析的等值线光滑，计算稳定性好，可以使业务预报更加可靠，效果更加理想。     

青藏高原大地形对冷涌作用的理论研究

本文从包含大地形效应的线性浅水波方程组出发,考虑青藏高原大地形为由西向东等科率倾斜,导得两类重力波解,一类是两个高频重力惯性波解,另一类是由地形激发的低频地形重力波解。后者与Kelvin波有某些类似之处。它们分别类似于数值试验所得冷锋迅速南下和冷涌强风速中心沿青藏高原大地形东侧边缘较慢向南传播的重力波。特别当无地形时,则低频波消失,仍有高频波。还求得了重力波波射线的传播路径为次摆线方程,这与数值试验所得冷涌强风速中心环绕青藏高原大地形东侧边缘的弧形路径颇为一致。且沿大地形下游沿海地区可能存在地形重力波波导管。     

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     

基于SRTM资料的小海岛CFD计算模型构建——以东澳岛为例

提出了一种利用SRTM资料构建海岛CFD计算模型的技术方法,并以珠江口的东澳岛为对象,进行了模型构建试验及边界层风场的数值模拟试验.实验结果表明,SRTM资料作为开源的资料,可有效地解析空间尺度在1 km以内数量级的海岛地形,并可以此为基础构建用于CFD模拟的计算模型,真实地刻画出岛屿的地形.利用计算模型进行的模拟试验表明,岛屿地形对风场的影响明显,且这种影响可以被计算模型有效地描述.所提出的技术未来在海岛风资源评估、风电场选址、污染扩散等领域有望发挥作用.     

省时显式积分方案在有限区数值预报模式中的应用

本文作了有限区数值预报模式显式和省时显式时间积分方案的对比试验。对于冬季和夏季两个个例的计算结果表明，采用省时显式方案能大大提高计算效率，同时保持几乎和显式方案同样的预报结果。此外还讨论了省时显式方案中的侧边界处理方法。     

湍流能量闭合法用于大气模式的初探

湍流能量（TKE）闭合方案是近年来大气边界层（PBL）模式中技推崇的方法,它具有11－2阶精度。大气环流模式的计算容量和垂直网络限制,不允许PBL方案过份精细。本文对TKE方案进行简化及网络稀疏化试验。并用Wangara资料验证。验证结果表明：此方案引入PBL内仅设置5层的大气环流模式是可行的。地面以上400米内模式结果与实测吻合。但中、上部位温计算值偏高。关于本方案在大尺度模式中的应用尚须进一步研究。     

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。     

GRAPES模式后处理技术改进应用研究

详细梳理了GRAEPS模式后处理系统的计算方案,进行了GRAPES模式后处理中海平面气压计算方案的改进,温度垂直插值方案的改进以及位势高度的垂直插值外插方案的改进等。假定温度廓线随地形高度变化并满足静力平衡条件,对海平面气压及位势高度外插进行改进,改进后海平面气压和低层等压面的位势高度场在青藏高原和南美洲西部等大地形处改进明显,均方根误差和距平相关系数改进较大并通过显著性检验。对温度垂直插值采用的原始插值层进行改进,使得高层等压面温度场的准确性进一步提高,统计检验评分在各区域都有不同程度的提高,尤其是热带地区和东亚地区高层温度场改善明显。这些都为模式产品用户提供了更可靠的数值模式产品。     

谱模式中截断方式对月长期天气预报影响的数值研究

以１９９２－０４－０１Ｔ１２（ＧＭＴ）北京国家气象中心的客观分析资料为初始场,通过对比分析ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）模式的月数值预报结果,研究了谱模式在不同截断方式下,水平分辨率及网格结构分地月长期烽值预报的影响。结果表明：虽然以上两模式具有相同的垂直结构,以及相近的高斯网格格点数和计算量,但由于Ｒ１５Ｌ７较Ｔ２１Ｌ７有更为合理的水平分辨率分布,具有由高纬长方形（长轴为南北向）经中纬正方形到低纬长方形