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。     

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.     

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。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

数值积分过程中截断误差和舍入误差的分离方法及其效果检验

本文讨论数值积分过程中截断误差和舍入误差的分离方法和理论,解析地给出某些数值计算方法的理论截断误差,并以此来分离计算结果中的误差.然后引入参考解的办法,用来分离更为一般的微分方程求解过程中的截断误差和舍入误差.以参考解算法为基础,对一个偏微分方程的数值解进行计算,所得结果与采用理论截断误差得到的结果进行了对比,发现:(...     

Improvement of the Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Planetary Boundary-Layer Scheme Based on Observational Data in China

The Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino (MYNN) planetary boundary-layer (PBL) scheme is a second-order turbulence closure model that is an improved version of the Mellor–Yamada scheme based on large-eddy simulation data. It simulates PBL structure and evolution well, particularly over the ocean surface. However, when used with various underlying surfaces in China, the scheme overestimates the turbulent momentum flux and the sensible heat flux. Based on observations of surface fluxes in China, we attempt to improve the MYNN model by modifying the parameters and representation of the turbulence scale. Closure constants and empirical expressions in the diagnostic equation are chosen first, and an additional component of the turbulent heat flux is considered in the potential temperature prognostic equation to improve the surface heat-flux modelling. The modified MYNN scheme is incorporated into a three-dimensional mesoscale model and is evaluated using various underlying surface observations. Amelioration of the surface turbulent fluxes is confirmed at five observational sites in China over different land-use types.     

An improved two-time-level split-explicit integration scheme for non-hydrostatic compressible models

Summary A new two-time-level split-explicit time integration scheme for the use in non-hydrostatic compressible modelling is presented. It is demonstrated that the scheme is numerically stable and has a smaller splitting error than other comparable split-explicit schemes. This error is due to the combination of advection and fast-wave terms in the numerical scheme.To outline where the splitting error occurs and how it acts within the splitting mechanism, a short review of existing split-explicit time integration methods is given. An in-depth analysis of the eigenvalues of several two-time-level schemes is performed showing that instabilities are associated with the splitting error term. The term has different signs for forward moving and backward moving waves, causing exponential growing or decaying. This unwanted characteristic is not prevented by a diffusive term in general, but might be counteracted by schemes using an estimate of the fast waves at the midpoint of the time increment.The importance of this fast-waves midpoint estimate leads to the formulation of a class of split-explicit two-time-level schemes. Within this framework any forward-in-time and stable advection scheme might be combined with the fast-waves terms in the splitting algorithm.The new method is implemented in the non-hydrostatic model LM of DWD. Some test cases are presented, indicating that the new scheme has the potential to be used in an operational environment.     

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。     

不同模式误差方案在集合Kalman滤波土壤湿度同化中的比较试验

本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kalman滤波同化方法和AVIM (Atmosphere-Vegetation Interaction Model) 陆面模式, 利用理想试验对膨胀因子方案 (Covariance Inflation, 简称CI)、 直接随机扰动方案 (Direct Random Disturbance, 简称DRD)、 误差源扰动方案 (Source Random Disturbance, 简称SRD) 等3种模式误差方案的同化效果进行了比较, 讨论了各方案在不同观测误差、 观测层数、 观测间隔情况下的同化性能。试验结果表明在观测误差估计完全准确的情况下, 3种方案都能获得较好的同化效果, 并且SRD方案相对于真值的均方根误差最小。当观测误差估计不准确时, SRD方案的同化效果仍能基本得以保持, 而CI和DRD方案则对观测误差估计更为敏感, 同化效果下降明显。当同化多层观测时, CI和DRD方案由于难以保持不同层观测之间的匹配关系, 同化结果反而变差, 而SRD方案能有效协调同化多层观测, 增加观测层后同化结果有了进一步的改善。当观测时间间隔较大时, CI和DRD方案的同化效果显著下降; 而SRD方案由于包含了一定的误差订正功能, 在观测稀疏时仍能保持较好的同化效果。     

Comparison of Liquid Water Content Retrievals for Airborne Millimeter-Wave Radar with Different Particle Parameter Schemes

In the application of the physical iterative method to retrieve millimeter-wave radar liquid water content(LWC) and liquid water path(LWP), particle parameter scheme is the main factor affecting retrieval performance. In this paper, synchronous measurements of an airborne millimeter-wave radar and a hot-wire probe in stratus cloud are used to compare the LWC retrievals of the oceanic and continental particle parameter scheme with diameter less than 50μm and the particle parameter scheme with diameter less than 500μm and 1500μm(scheme 1, scheme 2, scheme 3, and scheme4, respectively). The results show that the particle parameter scheme needs to be selected according to the reflectivity factor when using the physical iterative method to retrieve the LWC and LWP. When the reflectivity factor is less than-30 d BZ, the retrieval error of scheme 1 is the minimum. When the reflectivity factor is greater than-30 d BZ, the retrieval error of scheme 4 is the minimum. Based on the reflectance factor value, the LWP retrievals of scheme 4 are closer to the measurements, the average relative bias is 5.2%, and the minimum relative bias is 4.4 %. Compared with other schemes,scheme 4 seems to be more useful for the LWC and LWP retrieval of stratus cloud in China.     

局地分析预报系统在GRAPES模式中的应用

在分析美国局地分析预报系统 (LAPS) 和GRAPES_Meso数值预报系统,实现GRAPES-LAPS接口的基础上,通过两种数据融合方案,即GRAPES/LAPS方案 (简称LAPS方案) 和GRAPES/3DVAR方案 (3DVAR方案),对2008—2010年华南地区的28个个例的地面、探空常规和加密资料,以及多部多普勒天气雷达数据等融合、同化,开展两种方案的对比模拟试验。结果表明:LAPS方案获得的初始场,水汽条件有所改善,其辐合辐散相耦合触发中小尺度系统发展加强的中尺度环境场,有助于提高模式对强对流天气的预报能力。两种方案的24 h要素场均方根误差检验结果和降水TS评分大体相当,但28个个例中,LAPS方案报出了10个暴雨,而3DVAR方案只报出了5个,LAPS方案的中雨、大雨和暴雨的24 h降水预报TS评分要略好于3DVAR方案相应预报的TS评分,表明LAPS方案对强降水的预报较3DVAR方案有一定改进。     

云天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方法

为减少计算机时,满足实时预报要求,全球数值预报模式中的辐射计算频率通常设定为三小时。这样处理会大大减少计算量,但也同时导致较大辐射日变化偏差,并影响模式对地面能量平衡,对流及降水的模拟。为改进这一缺陷,我们开发了一种辐射快速计算方案,可用于计算瞬时地面太阳总辐射和净辐射,使到达地面的太阳辐射计算可与模式积分同步进行,从而改善地面太阳辐射日变化模拟。本文介绍云天的计算方法。该方案所用的输入变量均为预报模式或卫星观测所能提供的量。结果表明：该方案既可用于数值预报模式也可利用观测资料独立计算地面太阳辐射。经与美国能源部大气辐射观测资料检验,该方案的精度很高,地面总辐射瞬时值的平均计算误差小于7%。