误差扣除法在云南中尺度数值模式中对气压梯度力的计算试验

使用云南中尺度数值预报试验模式^[1]，引入实际地形，选用静力扣除格式、回插格式、局地等温格式、经典修正格式以及模式中原计算格式（Corby格式）等5种计算格式计算气压梯度力，对气压梯度力的误差和扣除法进行了模拟试验。比较了这5种格式在有、无误差扣除时的模拟结果之后，发现误差扣除法与上述格式结合使用时，均能够不同程度地提高预报效果，尤其是在与经典修正格式结合使用以后，预报效果进一步改善，得到了较满意的模拟效果。     

有地形模式中气压梯度力误差和扣除法的模拟试验

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。     

陡峭地形区气压梯度力的误差扣除法

设计一种计算陡峭地形区气压梯度力的新方法，限误差扣除法，给出了误差扣除法的基本原理。然后，选用理想大气，用３种近似计算式进行了检验。结果表明，这３种方法在单独用于气压梯度的计算时，计算值都有较大误差，在地形陡峭区，相对误差可以达到２０％以上。即使在平缓地形区，相对误差也不可忽略，只有平均温度格式可以满足精度要求。但当这３种格式在误差扣除法中应用时，绝对误差和相对误差都大大减小，相对误差的量级可达到     

数值模式中气压梯度力的算法试验

本文在差微差一致性二阶精度的坐标变换公式的基础上,推导出了气压梯度力计算的新公式。同时,根据静力扣除法原理,提出了初值静力扣除法,用以计算有地形数值模式中的气压梯度力。将这两种新的方法与二阶计算精度的回插法和局地等温法(Corby格式)相比后发现:新方法(文中称为经典修正法)与回插法精度相近,但可节省计算时间,比局地等温法精度高。静力扣除法则效果较差,但其原因可能在于地转风垂直插值方法有误差。本文的试验模式是上海台风研究所的业务数值预报模式,文中对模式及若干技术处理也作了简要介绍。     

水平气压梯力差分格式误差的定量分析

通过分析发现地形坐标系中系气压梯度力差分格式的计算误差应分为二类，其中，第二类误差在水平坐标面倾斜时出现。这种误差可理解为将水平坐标面上的气压插回到等高面上的插值误差。构造气压梯度力差分格式的目的正是为了减小这种第二类误差，而不是其他误差。误差分析表明静力扣除法和Ｃｏｒｂｙ格式的第二类误差都很小，比一般方法的误差小约一个量级。     

P-σ坐标系数值模式中气压梯度力的递推算法

在静力关系成立的条件下,推导出气压梯度力的递推算法,用以计算有地形P-σ坐标系模式中的气压梯度力.将递推算法与对应的6种直接计算方案相比后发现,在有气压梯度力的参考大气中,递推算法的计算精度相对于直接计算方案的精度有较大改进,特别是采用递推后的两种经典修正格式和Corby格式,能较大提高水平气压梯度力的计算精度,从而改善数值模式的预报效果和稳定性.     

地形跟随坐标下的中尺度模式气压梯度力计算误差分析及其改进方案

地形跟随坐标系中水平气压梯度力的算法一直是困扰数值模式发展的关键问题之一。目前数值模式中使用的方法只能在天气尺度的模式中部分缓解气压梯度力的计算误差问题。在高分辨率中尺度模式中，随着地形坡度的进一步加大，气压梯度力的计算误差问题更加突出。作者通过理想场的计算分析了几种主要气压梯度力算法的误差，结果显示在中尺度模式分辨率下，计算的水平气压梯度力不但不收敛于真值，而且随着地形坡度的加大或模式分辨率的提高，计算误差逐渐增大。作者提出了基于静力方程订正的回插等压面改进方案，理想场的计算结果表明该方案的计算误差可显著减小，在典型中尺度模式参数的设置下计算精度可达10-6m/s2。其最大特点是随着模式分辨率的提高，该方案的计算误差将逐步收敛到零。     

地形坐标系数值模式中气压梯度力的计算

本文详细地讨论了σ坐标模式引入地形时气压梯度力的截断误差。通过理论分析和数值计算看到,对于不同的σ定义和模式变量的垂直分布,Corby格式的精度可以有很大差别。为了减小梯度力的计算误差,对于模式的垂直离散化和梯度力的差分格式提出了一些改进意见。     

水平气压梯度力差分格式误差的定量分析

通过分析发现地形坐标系中气压梯度力差分格式的计算误差应分为二类，其中，第二类误差在水平坐标面倾斜时出现。这种误差可理解为将水平坐标面上的气压(或位势高度)插回到等高面(或等压面)上的插值误差。 构造气压梯度力差分格式的目的正是为了减小这种第二类误差，而不是其他误差。 误差分析表明静力扣除法和Corby 格式的第二类误差都很小，比一般方法的误差小约一个量级。分析还表明第二类误差产生的主要原因是由于气压随高度非线性变化。依据这一分析思路，本文改进了#As(z)#a坐标系中的静力扣除法。 改进后的方法比改进前的误差小约一个量级。     

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。     

IMPROVEMENT ON COMPUTING THE HORIZONTAL PRESSURE GRADIENT FORCE IN THE REGCM2

The technique on computing the horizontal pressure gradient force(PGF)in RegCM2 isimproved with the error subtraction method.Moreover,the regional climate in June of 1991 inChina is simulated by employing the RegCM2.Comparison with other schemes for computing thePGF shows that the error subtraction method can effectively reduce the error of the PGF,improvethe simulation of winds and alleviate the spurious precipitation in steep topographic areas.Furthermore,the simulation of precipitation in other areas is in better accordance with theobservation.     

IMPROVEMENT ON COMPUTING THE HORIZONTAL PRESSURE GRADIENT FORCE IN THE REGCM2*

The technique on computing the horizontal pressure gradient force(PGF)in RegCM2 is improved with the error subtraction method.Moreover,the regional climate in June of 1991 in China is simulated by employing the RegCM2.Comparison with other schemes for computing the PGF shows that the error subtraction method can effectively reduce the error of the PGF,improve the simulation of winds and alleviate the spurious precipitation in steep topographic areas.Furthermore,the simulation of precipitation in other areas is in better accordance with the observation.     

POM对南海海温年变化的模拟

将Internet上的美国普林斯顿大学海洋模式（POM）改造为能够模拟南海（SCS）海洋要素的模式。在POM中,加入了真实的南海海底地形,使用了误差扣除的压力梯度计算方法,引进了海气界面上热通量计算方案,增加了前置和后置处理程序,使模式能够根据研究目的,模拟和预测海洋要素的时间变化及空间分布。利用改造后的POM模拟了南海海温的年变化,并进行了详细的分析和讨论。结果表明,改造后的POM可较好地模拟出南海海温的年变化特征,其模拟性能随季节而有不同。文中对模拟中存在的不足之处也进行了讨论。     

完全非内插半拉格朗日格式在一维 Burgers方程及二维浅水波方程上的应用

在作者过去提出的完全非内插半拉格朗日格式的基础上,针对半拉格朗日格式由于内插带来预报场人为的光滑性问题,进一步发展了这种计算格式,证明了此格式的计算稳定性。为检验这种新的计算格式的性能,在一维和二维问题上进行了应用。在一维问题中采用了一维无粘Burgers方程（方程中有突变点）;二维问题采用了浅水波方程,同时将这些计算结果与Ritchie方案及欧拉方案或一般半拉格朗日内插方案的计算结果进行了比较,发现新格式消除了内插和预报场的人为光滑,并且计算精度有一定程度的提高,这为以后将此格式推广到全球谱模式打下了基础。     

Computation of the wind speed at sites with complex orographic effects

Computation of the wind speed at a given station is performed via interpretation of the hydrodynamic modelling results using the multiple regression method. The a priori model parameters—pressure and thermal gradients, the Laplace operator at the standard levels of the lower and middle troposphere, and others—were obtained from reanalysis. The wind speed at observation times at Vladivostok station was used as a dependent variable. Preliminary classifying of the vector of predictors in accordance to the surface pressure gradient has been done. This procedure, first of all, allowed us to decrease variability of the friction force impact on the wind speed formation for a given class. Experiments, which were performed with the different sets of parameters and various classification schemes, allowed selecting models that provide computation results comparable to the known methods of wind speed computation at a given station.     

PRM标量平流方案在GRAPES全球预报系统中的应用

如何更好地模拟水物质的分布,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。半拉格朗日模式中的标量平流计算要求做到高精度、守恒、正定和保形,但GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 中采用的QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian)平流方案在水汽的强梯度、不连续区域计算精度较低,且不能做到严格守恒。本研究借鉴计算流体力学领域的研究进展,将一个基于分段有理函数的物质平流方案PRM(Piecewise Rational Method)引入GRAPES_GFS中,按照通量形式求解水汽方程,并对极区进行了混合等技术处理。通过一系列理想试验对两种平流方案进行了对比,证明了PRM方案精度较高,特别是在水汽梯度大的区域优势明显,频散、耗散误差较小,守恒、保形性也要好于QMSL方案。通过对GRAPES_GFS中批量预报试验效果的检验,验证了PRM方案可以有效地改进模式对水物质分布的模拟,提高了降水的预报效果,对模式综合预报性能的提升也有明显作用。