全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(I): 模式动力框架设计

引入双三次数值模式:双三次数值模式是通过作三次样条与双三次曲面拟合,实现各个大气要素量场的二阶可导,从而可对各个预报方程作时间积分。双三次数值模式适合采用大气运动原始方程组和采用水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案。且本文的全球(Z)双三次数值模式与个例模拟实际采用Navier-Stokes"浅薄大气"原始方程组,建立球面Z坐标系上的非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架。其离散化气压、气温预报方程与个例模拟揭示出大气运动中凝结降水,其天气学原因不仅是湿空气作Z坐标垂直上升运动,而且是湿空气被"减压/减温",即湿空气作P坐标"垂直上升运动",后者可由大气平流运动(如Rossby波)引起。     

全球（Z）双三次数值模式的设计与个例模拟（Ⅰ）：模式动力框架设计

引入双三次数值模式：双三次数值模式是通过作三次样条与双三次曲面拟合,实现各个大气要素量场的二阶可导,从而可对各个预报方程作时间积分。双三次数值模式适合采用大气运动原始方程组和采用水平方向准拉格朗日／垂直方向欧拉时间积分方案。且本文的全球（Z）双三次数值模式与个例模拟实际采用Navier—Stokes“浅薄大气”原始方程组,建立球面Z坐标系上的非静力、全可压、干／湿绝热大气运动动力框架。其离散化气压、气温预报方程与个例模拟揭示出大气运动中凝结降水,其天气学原因不仅是湿空气作Z坐标垂直上升运动。而且是湿空气被“减压／减温”,即湿空气作P坐标“垂直上升运动”,后者可由大气平流运动（如Rossby波）引起。     

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     

全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(Ⅱ): 个例模拟结果分析

引入双三次数值模式:通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合—……",实现成为一种新算法的数值模式。在球面Z坐标系上,给出全球经纬网格双三次数值模式的一个设计。全球(Z)双三次数值模式采用非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架,并采用显式水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案,用NCEP再分析资料做初值场,初步模拟出从极地到热带的基本大气环流。模拟试验表明:因大气运动本质上是非线性的,当限定模式大气作线性"一次运动"时,个例模拟无须任何平滑;但限定模式大气作"三次运动"时,必须有适当平滑。本文认为,未来双三次数值模式可按场变量双三次曲面曲率,以判断采用符合物理诠释的局域(或单点)平滑;又若大气非线性运动不稳定区恰是天气系统发源地,则全球多重/时变套网格双三次数值模式是今后研究的方向。     

热带大气动力学研究

热带大气控制着约地球面积的一半,热带大气的运动、热带地区的天气气候情况对人类有重要的影响;地球大气运动的基本能源是太阳辐射,而热带大气获得太阳能最多,加之热带大气有充足的水份,从运动能量的观点,热带大气又是能源之所在。因此,热带大气运动的研究是气象学的重要课题,越来越引起人们的重视。但是,目前人们对热带大气运动规律的了解还相当不够,热带地区天气预报(包括数值预报)的准确率还很低;而热     

简单海气耦合模式大气运动方程的非线性对ENSO循环模拟的影响

研究简单海气耦合模式大气运动方程非线性对ENSO循环的影响,即讨论大气运动方程的纬向非线性、经向非线性、纬向和经向非线性对ENSO循环的影响。同时,讨论了ENSO循环对大气运动方程非线性的敏感性问题。数值实验证明,大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响明显,并且ENSO循环对大气运动方程的非线性非常敏感。因此,研究简单海气耦合模式中大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响,对进一步理解ENSO循环的物理机制,具有一定的理论意义和实用价值。     

简单海气耦合模式大气运动方程的非线性对ENSO循环模拟的影响

研究简单海气耦合模式大气运动方程非线性对ENSO循环的影响,即讨论大气运动方程的纬向非线性、经向非线性、纬向和经向非线性对ENSO循环的影响。同时,讨论了ENSO循环对大气运动方程非线性的敏感性问题。数值实验证明,大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响明显,并且ENSO循环对大气运动方程的非线性非常敏感。因此,研究简单海气耦合模式中大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响,对进一步理解ENSO循环的物理机制,具有一定的理论意义和实用价值。     

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。     

全球天气试验十年之后的回顾

在FGGE期间(1979年),全球大气探测达到前所未有的程度,对这些探测资料的分析,为我们提供了大气运动最完整的图象,FGGE还大大推动了数值模拟和数值预报的发展,十年之后回顾一下我们对大气环流的认识和评述一下大尺度数值天气预报的现状,这是一个很好的机会。     

初论双三次数值模式

讨论在数学Rn空间里,存在孔斯双三次曲面拟合的可能数值模式(以下称双三次数值模式)。双三次数值模式特点是,在诊断上对天气系统中的由各个物理定律表述的(离散点)大气物理量场,可通过数学三次样条函数做双三次曲面拟合,则模式大气(包括天气系统)的各个物理量场均达到二阶可导,即是大气运动方程中的各个物理量场都存在各自的一、二阶空间微商,从而可以对模式大气与天气系统做时间积分。与有限差分模式和谱模式存在所谓的空间截断误差和波数截断误差相比较,双三次数值模式存在所谓的空间拟合误差,恰是现行有限差分模式空间截断误差的高阶小量。而双三次数值模式具有谱模式准确计算空间微商的优点,且双三次数值模式的数学构架能够较好地适应大气运动动力框架,是可与有限差分模式和谱模式相比较的另一数值分析新算法的气象数值模式。     

双三次数值模式与理想Lamb波、龙卷扰动对比模拟分析

通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合……",实现成为一种双三次曲面拟合新算法数值模式。它对模式大气作非线性(空间二阶可导)描述,是用数值分析(三次样条/双三次曲面)与计算方法近似求解大气运动非线性偏微分方程组。用Z坐标系高分辨率双三次数值模式,采用原始大气运动方程组和采用欧拉时间积分方案,设置理想扰动,对大气声波Lamb波做数值模拟;采用大气不可压假定,除去声波,对大气重力波龙卷扰动做数值模拟。对比模拟发现:理想Lamb波以声速在水平方向传播,扰动能量频散快,仅能在原地持续数秒钟;理想龙卷扰动则在原地可持续约1 min,且波动内圈(外圈)自下至上始终处于风场辐合(辐散)状态,具冷心结构和气压驻波特征,可因水汽进入扰动与借助凝结潜热释放而得到发展。     

旋转正压大气运动的数值模拟

本文根据旋转正压大气运动的二个基本过程:演变过程和适应过程,在一定的适应速率假定下设计了模拟旋转正压大气运动的计算方案,并分析了这一方案的计算稳定性条件。数值计算表明:这一方案对台风路径业务数值预告方案有一定的改进,是一种很有潜力的计算方案。     

大气模拟实验简介

大气模拟实验是在实验室条件下,控制影响大气运动的主要因素、研究这些运动的发生发展规律,以帮助人们了解发生在实际大气中的气象现象的一种手段。用模拟实验研究大气运动规律至今已有一百多年历史,现有数值模拟、电模拟和流体力学实验模拟等方法。本文只介绍后面一种方法。流体力学模拟实验的范围很广。一百多年来国内外实验工作者已用气体、液体和磁流体对气象、海洋、行星大气中的某些现象进行了一定程度的模拟研究。仅就地球大气的模拟实     

低纬度大气中涡度方程各项量级的计算

近几年来随着低纬度观测资料的增加,特别是卫星资料的应用,为研究热带大气运动提供了大量的基本资料,对于热带大气的研究亦从定性的分析研究逐步向客观的、定量的数值计算、数值试验和数值模拟等方面发展。对于低纬度大气中的斜压作用的计算,也得到与传统观念并不一致的结果。例如Reeves,R.W.,等人(1979)在对于降水研究中曾计     

大气边界层动力学和植被生态过程耦合的一个简单解析理论

发展了一个大气边界层动力学和植被某些生态过程相互作用的简单模式,求得了这个耦合模式的解析解,分析了植被反照率和冠层阻抗(气孔阻力)对大气运动及植被温度的影响,这一相互作用的方式可为进一步发展大气运动和生态过程相互作用的、更复杂的数值模拟模式提供参考.     

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     

大气运动的可预报性

大气运动的可预报性自１９５０年第一张成功的数值天气预报图问世以来。数值预报已经取得了巨大进展、预报水平有了很大提高，预报对象也从大尺度天气系统扩展到多种时空尺度的空气运动。不少先进国家和地区都相继建立起数值预报的业务预报，随着数值预报的业务预报能力不...     

第四讲:热力学量和非绝热加热率的计算

大气运动包含着动力学和热力学过程。热力学过程受许多气象因素制约,其中水汽的时空变化极大,水汽的作用使热力学过程趋于复杂化。非绝热过程是影响大气运动演变至关重要的因素,大尺度气流对非绝热强迫的反应可在几天后出现。在物理量诊断分析及数值预报模式的设计中,均要考虑大气中辐射盈亏、水汽凝结和感热输送等物理过程。本讲分两部分:第一部分主要介绍大气中的热力保守量的计算以及构造γ_m 曲线(湿绝     

数值模式中的回溯时间积分研究

本研究提出并发展了大气记忆动力学,基本观点是考虑大气有记忆能力,在引进记忆函数后将制约大气运动的微分方程变换为一个差分积分方程。这样可以由多个时次的初始场而不仅是一个时次的初始场来求得大气运动的数值解。回溯时间差分格式是基于自忆性原理提出的一种新格式,与传统的格式很不一样,可以包含3个以上不同的时间层次,可以从过去的多时次场中得到更多的信息,以期提高预报准确率。该格式在数值计算中还能自动起过滤作用,可以平滑预报场中的虚假值。回溯格式的基本形式（p阶,p≥2）为:     

第一讲 数值天气预报简介

§1.数值天气预报基本概念1.定义目前国内外所用的天气预报方法,归纳起来不外是天气图方法、统计学方法和动力学方法等三大类,这些方法在一定条件下可以单独使用也可以相互结合成多种综合预报方法。数值天气预报运用的就是动力学方法,即把大气演变过程中的物理规律以数学形式表达出来。给出一个控制大气运动的流体力学方程组,利用电子计算机,通过数值分析求解方程组,得到气象要素随时间、空间的分布。这样,我们就可对数值天气预