高分辨有限区数值预报模式的省时显式积分

本文提出利用省时显式方案积分两个高分辨有限区数值预报模式。其结果表明，这一积分方案可以使模式的计算效率大大提高，而由时间积分方案的变化所造成的预报差异比模式空间离散化方案的不同所造成的预报差异要小。同时还讨论了将省时显式方案用于有限区模式的边界处理问题，提出了一个与蛙跃格式等价的边界处理方案。     

分裂显式积分方案在数值预报模式中的应用

分裂显示积分方案[2]是一种比较经济的积分方案。用这种方案可以显著地节省电子计算机的计算时间。 本文在一个p坐标、北半球五层初始方程模式上进行了分裂显示积分方案的试验。试验结果表明在非跳点网格上分裂显式积分方案仍然取得了令人满意的效果。从计算时间上看分裂显式积分方案所花费的计算时间仅是显式积分方案的四分之一左右。例如在M—170电子计算机上显式方案做一天预报需要40分钟,而分裂显式方案还不到10分钟。从预报效果上看分裂显式方案并不比显式方案差,在本文给出的预报例子中,分裂显式方案比显式方案预报效果还好一些。     

正压原始方程模式分离显式积分方案的试验

本文用正压原始方程模式考察了分离显式积分方案的稳定性和精确性。把模式方程组分为平流方程组和适应方程组。积分周期分离为两个主要部分。第一部分,显式积分平流方程组;第二部分,显式积分适应方程组。试验结果表明,分离显式积分方案比显式积分方案稳定。用这种方案制作有限区域正压原始方程模式24小时预报所需要的计算时间是显式方案的二分之一。     

正压原始方程模式分离半隐式积分方案的试验

本文设计了一个正压原始方程模式的分离半隐式积分方案,并考察了它的稳定性和精确性。试验结果表明,分离半隐式积分方案是非常稳定而有效的。用这种方案制作有限区域正压原始方程模式24小时预报所需要的计算时间是分离显式方案的二分之一,是显式方案的四分之一。     

不同显式方案模拟对流风暴的不确定性

利用MM5模式选取mixed phase、graupel(gsfc)、graupel(reisner2)和schultz 4种显式方案对理想的对流风暴进行水平分辨率为2 km的全显式数值模拟,分析不同显式方案模拟的对流风暴不确定性.结果表明:不同的显式方案模拟的对流风暴的最大垂直速度、水平结构和降水以及云物理量的演变都有很大的不确定性,说明要对实际降水进行全显式的数值预报可能需要对不同显式方案导致的预报结果的不确定性作出进一步的估计,集合预报中可能要考虑不同显式方案对预报结果不确定性的影响.     

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。     

热带有限区分裂半隐式斜压初始方程预报模式

本文提出一个采用分裂半隐式时间积分方案的热带有限区多层初始方程数值预报模式。业务预报试验表明模式的计算稳定性较好,预报作业时间较显式方案缩短约三分之二,对热带天气系统有一定预报能力。为了弥补热带大洋上探空资料不足,还试验了插补其他来源的资料,效果也较好。     

一类计算性系统误差消除与斜压原始方程天气气候模式改进

斜压原始方程半隐式全能量守恒格式的构造问题长期没有解决。本研究在成功地构造实现其全能量完全守恒的半隐式方案基础上，进行了此守恒方案与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的σ－坐标原始方程全球谱模式半隐式方案间的实际资料对比实验。实验表明，850hPa平均预报高度场RMS误差在积分一周以后得到明显改进，到第30天其预报误差降低达到了50％，进一步的对比实验表明，对流层中部和下部的月预报平均高度场RMS误差也显降低，而且一些明显的系统性误差也得到大幅度改进。更加详细的分析显示，这些收益的很大一部分是从超长波成分的改进中得到的。这说明，通过构造守恒性时间差分方案消除了响应的计算性系统误差源汇，进而能够使模式气候漂移得到显改进，而这种误差源汇存在于传统的，现仍被普遍采用的斜压原始方程天气气候模式中。     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟（Ⅱ）暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下，利用文章(I)所述的显式云降水方案，对一次暴雨过程和伴随着的云物理过程进行了模拟研究和分析。模拟结果表明，显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进。模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程。冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响，特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率。与卫星TBB资料的对比分析表明，引进显式方案后，模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向，模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致。     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中, 显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程,特别是对云降水过程的模拟能力.详细介绍了这三套云降水方案的物理过程,以及与动力框架的耦合.     

MM5模式显式微物理方案的对比分析

介绍了MM5中的显式云物理方案，详细分析了Goddard,Reisner和Schultz方案的物理过程特点和存在的不足。这些云物理方案的多个微物理过程的描述不是很合理，对粒子的自动转化过程都采用阚值，且对雪、霰和雨的数浓度只进行诊断计算。Reisner方案的物理过程相对全面，预报量也较多，但仍存在一定的不足。通过对1992年Andrew台风个例的模拟，发现尽管Reisner方案的物理过程比Goddard和Schultz方案全面，但模拟的台风眼最低气压和地面最大风速并没有优势。所以单一物理过程描述的改善不一定立即带来模式预报成效的提高，因为预报能力取决于整个模式系统的科技水平以及各子程序之间的匹配。     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

一个质量通量积云参数化方案的对流触发函数

提出了建立一个旨在提高国家环境预报中心区域谱模式降水预报技巧的降水物理过程库。库中包括一个网格尺度的降水预报方案和一个具有显式耦合于边界层和对流性降水过程的对流触发函数的对流参数化方案。针对１９９５年５月１５～１７日期间一次全美国花园内的暴雨个例，在格距约２５ｋｍ的网格上进行了综合的敏感性试验。该文讨论了在对流参数化方案中建立的对流触发函数及其对预报降水的影响，重点阐述了对流参数化方案中的云属性与     

一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案,它预报2个云物理量,即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪,暖区为雨）,考虑了7种云物理过程。文中给出了详细的方程组,可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用。该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较。     

MM5中尺度模式及其微物理过程

按照模块功能,介绍了MM5中尺度模式中各个子模块的主要作用,描述了模式中微物理过程的对流参数化方案和显式方案,为模式在研究和预报应用提供参考。     

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。     

预报方程差分格式的构造方法

本文用差分模拟绝对涡度守恒定律,构成正压涡度方程的两类差分格式:积分守恒型格式和相当于准拉格朗日型格式。前一类型格式的显式部分是条件稳定的,隐式部分是无条件稳定的。后者至为无条件稳定的显式格式,可以依据实际需要和可能,来放大无条件稳定格式的时间步长。 本文还根据格式的计算要求,讨论了“风”场的计算和平滑问题,以及差分方程的边、初条件(计算边、初条件)的给法。并通过理想场计算和实例预报,检验了几种显式格式的计算效果。     

低纬高原地区MM5v3不同参数化方案降水模拟试验

为了进一步了解MM5模式在低纬高原降水预报性能，利用MM5模式中的3个物理过程组合了7个不同的参数化试验方案，对低纬高原地区2005年主汛期进行了降水数值试验。结果表明：第三重嵌套网格中的Grell积云参数化、Goddard显式水汽和Cloud（或RRTM）辐射过程组合的试验方案对降水预报效果较好，特别是对大雨和暴雨预报有明显的改善；在将试验结果插值到测站点时，不同扫描半径对插值结果有一定影响，相对而言，20～30km扫描半径插值结果较为理想。     

一个修正的σ坐标初始方程斜压模式的分裂显式积分

为了节省计算时间,本文对一个修正的σ坐标初始方程斜压模式作了分裂显式积分的研究。把大气运动分为平流过程和适应过程。在时间积分上对平流过程采用欧拉后差,对适应过程采用向前—向后差分格式,得到积分15天的稳定结果。计算时间比显式节省了60％左右,而预报效果相似。     

再论发展方程差分格式的构造和应用

【摘　要】本文把一大类大气、海洋方程归结为一种发展方程,具体构造了若干定时间步长的显式完全平方守恒差分格式。并证明在一定条件下,这类格式也具有能量守恒、“广义能量”守恒和“平均尺度”守恒的特性,它表明这类格式具有较好的计算稳定性和省时性。文中还探讨了显式平方守恒格式与隐式平方守恒格式之间的密切联系。最后给出了令人满意的用四波的R-H波作数值检验的结果。