回溯时间积分格式的有效性研究

采月正压准地转模式作为动力核,用Rossby-Haurwitz波函数作为理想场,同时使用回溯时间积分格式和普通中央差格式进行数值试验.结果表明,在短时积分的情况下,回溯格式能减小数值解误差1～2个量级,而且它对时间步长的增大不敏感.因此使用回溯格式可以减少积分计算量,延长积分时效.     

气象要素数据网格化等值线自动化分析的一种方案

引言 利用微机对气象要素数据做等值线分析,其数据一般要求网格化。数据网格化的格式有以下两类格式: 1.规则网格格式 这类格式有两种。一种是正方网格格式。如北京气象中心向外发布的B模式数值预报     

论辐射加热问题的时间积分

在满足有界条件的数值解是计算稳定的定义下, 讨论了辐射加热问题的时间积分, 并证明:如辐射加热和其对时间的一阶微商均连续时, 用向前差分格式计算的数值解是计算稳定的。还用一个例子证明:问题的数值解可以收敛到其解析解。     

高精度迎风偏斜格式的比较与分析

利用一种具有任意阶精度的一般显式有限差分公式构造出高精度迎风偏斜格式，并利用 Fourier分析法评估了这些迎风偏斜格式的耗散误差与频散误差。结果表明，偶阶精度格式的数值相速度快于实际相速度，而奇阶精度格式的数值相速度慢于实际相速度。并且，偶阶精度格式的耗散误差与频散误差低于相邻的奇阶精度格式。为了检验这些格式的计算性能，在一维问题上进行了应用。首先，考虑恒定风场条件下的一维平流试验。主要选择两种不同的初始条件来评价数值格式的精度，这两种试验问题分别是高斯函数、方波函数。试验结果表明，随着数值格式精度的提高，数值格式的误差逐渐减小。而对于高于六阶精度的格式来说，改进的程度并不是很大。其次，应用各阶格式到具有两种不同初始条件的无粘Burgers方程。数值结果表明，随着数值格式阶数的增加，数值结果也得到了明显改进。而对于高于六阶精度的格式来说，进一步的变化并不明显。总之，在兼顾效率与精度条件下六阶迎风偏斜格式是最好的。     

高分辨区域输送模式中不同输送格式的对比试验

本文对两种输送格式在理论试验的基础上，引入19层高分辨区域输送模式EM3，由中尺度模式（MM4)提供实例输送风场，积分至13、18、30、50、70小时，作分析和对比数值试验。采用的两种格式是:二阶动量矩守恒的Prather格式（以下简称为SOM)及通量订正的Smolar格式。数值试验结果表明，高精度的SOM格式使数值扩散减小一个量级， 使输送物质（SO#-[2])中心浓度比Smolar格式增大3～4倍， 采用SOM格式还明显改进了浓度中心水平平均运动轨迹的模拟精度，选择高精度的平流格式是改进模拟结果的重要途径。     

拉格朗日法在数值天气预报中的应用(二)

八、显式和隐式格式所谓显式和隐式格式是指对时间积分所采取的两种不同的计算格式.显式格式,简言之就是都可以用前一个时间层的函数值,求出后一个时间层的函数值.这种格式,常用它在实际计算中比较方便而被普遍选用.但是,从时间积分稳定性角度论,这种格式只有在满足一定条件下计算才是稳定的,属条件性稳定,对网格模式讲,空间格距与时间步长之间相互制约.若取空间格距一定,在波速C较大时,Δt需取得较小,因而对一定的积分时间T,运算     

基于有限体积HWENO格式的一维溃坝流模拟

基于浅水波方程组建立一维溃坝流模型,并给出数值模拟结果.其中,空间离散采用HWENO(Hermit Weighted Essentially Non-Oscillatory) 格式,时间离散采用四步TVD(Total Variation Diminishing)Runge-Kutta模拟堤坝溃决时洪水演进过程。模拟结果表明：较采用WENO格式所得数值解更精确-同时,相比WENO格式的相应算法,该算法解决一维溃坝流问题能更有效地减弱振荡,对间断具有更高的分辨率     

集合平均方法减小混沌系统计算误差的效果研究

研究了Lorenz非线性系统中使用的集合平均方法来减小计算误差的效果,通过检查5组数值试验(每组20个样本)的结果发现:集合平均对计算误差的减小和消除不如高精度算法有效,这主要体现在以下几方面:1)普通的算法和双精度的计算环境中,若截断误差是主导误差(当初值误差很小时),各集合的平均结果并不收敛于真值,而是收敛于含截断误差的数值解;2)若初值误差为主导时,系统受到初值误差增长规律的影响,数值解收敛于由初值误差主导的误差解;3)这两种误差量级接近的时候,两种误差都无法消除掉。对解的统计特征进行研究表明,可信的数值解与含计算误差的数值解有许多相似的地方,但是与集合平均的数值解有很大不同,同样说明了集合平均不适用于减小计算误差这样的问题。此外,试验结果表明即使数值解的概率分布形式基本正确,也不能保证数值解是正确的。     

三维指数型迎风格式以及在环境数值模拟中的初步应用

为了适应大气、海洋的环境数值模拟需要,在前人工作基础上提出了三维随流格式和指数型迎风格式.随流格式能使方程对流项中的对流速度误差明显减小.三维指数型迎风格式能有效抑制对流占优问题的数值振荡,并用简单的七点差分格式获得O(h2)精度的三维模式数值结果.因此,所建的模式具有格式简单,计算稳定性良好和计算精度较高的优点.初步计算表明,这个模式能有效应用于强迫-耗散型大气、海洋运动和环境问题的数值模拟.     

非线性Schrödinger方程的一个线性化紧致差分格式

对非线性Schrödinger方程给出了一个线性化紧致差分格式,运用不动点定理和能量方法证明了格式的唯一可解性,还运用能量方法和数学归纳法,避开困难的先验估计,证明格式在空间方向和时间方向分别具有四阶和二阶精度,数值算例验证了格式的精度和数值稳定性.     

反扩散格式在二维锋生数值模拟中的应用

把无粘流中能成功捕捉接触间断的反扩散差分格式，用在了准地转二维理想锋生的数值模拟中，并将计算结果与Cullen的计算结果和半地转方程的精确解进行了比较。用反扩散格式模拟的锋面较Cullen的结果更加显，而且更接近半地转方程的精确解。     

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:     

非线性发展方程的非守恒格式的计算稳定性问题

针对非线性发展方程的非守恒格式,以一维浅水波方程为例,对非守恒格式的计算稳定性进行了研究分析,探讨了非线性发展方程的非守恒格式与初值的关系.理论分析和数值试验表明,在格式结构已经确定的情况下,非守恒格式的计算稳定性主要由初值的形式所决定.     

模式低空急流结构与水汽输送精度的数值试验

本文所使用的中尺度模式ＭＭ４改进了水汽平流的计算精度，引入了Ｐｒａｔｈｅｒ和Ｂｏｔｔ两种高精度正定闰流差分格式。首先探讨了仅考虑模式平流过程的情况下不同平流差分格式的误差特征对模式结果的可能影响。结果显示：ＭＭ４中原有的水汽平流差分格式在水汽梯度较大处产生水汽负值，而引入搞精度格式能正确模拟水汽为分布的特征，对不同精度的水汽平流分格式作了数值试验，不同格式下模式的低突急流结构有较明显差别，水汽输送     

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.     

一类三维的高分辨中心差分格式

在交错网格的情况下，构造了一类不需解Riemann问题的求解三维双曲守恒律的二阶显式差分格式，证明了该格式在CFL（Courant-Friedrichs-Lewy）条件限制下为MmB（Maximum and minimum Bounds）格式，进行了并行计算数值试验，得到的试验结果令人满意。在交错网格的情况下构造的这类差分格式，不需要求解Riemann问题，不需要进行特征分解，可用于求解弱双曲方程组，计算快、编程简便。     

三阶龙格-库塔时间分裂显式算法的误差分析

分析了新一代非静力中尺度数值模式中常用的三阶龙格-库塔时间分裂显式算法(RK3)的稳定性和误差性质,特别是分析了空间中央差分和迎风偏斜两种不同情况下该算法不同的稳定性和误差性质。运用数学软件先进的符号计算功能,分析了该算法涉及的复杂高阶、高次幂振幅矩阵的特征值性质;并通过一维线性声波-平流方程组的数值模拟实验,检验了时间分裂算法的模拟效果。对振幅矩阵特征值模的表达式进行高阶的级数展开,得到了该算法的分裂误差项的公式;而且,由于特征值模的公式保留了较高阶项,可以同时分析迎风偏斜和中央差两种空间差分格式的分裂误差性质。根据分裂误差项公式,定量地比较了三阶和二阶龙格-库塔格式(RK2)的分裂误差大小以及误差与小时间步数的关系,发现迎风格式RK3的分裂误差明显小于RK2的误差,并具有更好的稳定性质。空间中央差格式的分裂误差项具有更高阶数,比迎风格式具有更小的时间分裂误差。对于各种不同波长的特征值分析和采用中央差格式的数值模拟,也进一步证实空间差分采用中央差时,RK3时间分裂显式算法在不同方向传播的声波振幅几乎没有差别。另外,误差公式以及数值试验结果说明RK3的分裂误差也略小于Adams-Bashforth-Moulton分裂显式法的分裂误差。     

一类计算稳定性好的显式平流差分格式

通常的显式平流差分格式，如迎风格式，Lax-Wendroff格式等，均是有条件稳定的,其稳定条件与差分网格的时、空步长有关。本文对线性和拟线性平流方程分别构造了一种计算稳定性好的显式差分格式。对前一格式，本文严格证明了它的无条件稳定性及收敛性，并具有一阶精度；对后一格式，由于非线性方程的限制，本文用数值试验研究了它的计算稳定性。     

风速垂直变化对催化剂扩散的影响

在寻求层状云中催化剂扩散议程的解时，一般都假定风速为常值，但实际上风速是随高度变化的。该文在云中催化剂的数值模式中考虑了风速随高度的变化，用差分格式求其解，并进行了个例计算和比较分析。     

非线性Schrdinger方程差分格式的计算稳定性

运用判定非线性发展方程差分格式计算稳定性的Hirt启发性分析方法,对一类非线性Schrdinger方程差分格式的计算稳定性进行分析,得到了保证差分格式计算稳定的必要条件.数值试验结果进一步表明,得到的稳定性判据不仅是保证差分格式计算稳定的必要条件,而且在实际中也是非常有效的.