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。     

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.     

海岸地区空气污染物输送与扩散的数值模拟

本文建立了求解三维扩散方程的数值模式,以经过处理地形影响经连续方程调整模式计算得到的三维风场和实测铅直湍流扩散系数作为输入,模拟了沿海城市秦皇岛地区海陆风演变过程中空气污染物(SO_2)浓度的时空分布(x-y和y-z两个剖面)。模式的数值求解,在水平方向采用伪谱方法,铅直方向采用上游格式和六点格式,对三维扩散方程运用分步求解的数值方法,用计算所得的地面SO_2浓度分布和实测值比较,一致性相当好。显示在早晨和傍晚出现极大值,午后出现极小值。计算所得的日平均浓度与实测结果相比,也相当吻合。分析表明,本文所建模式行之有效,且数值计算稳定性表现良好。     

中尺度模式MM4对高精度水汽输送#C$算法的敏感性试验

水汽输送的算法精度对中尺度模式的预报能力起有重要作用。本文在MM4的基础上用高精度的平流格式改进模式的水汽输送格式，使改进后的模式包含了对多种高精度的水汽输送格式的选择，如Prather格式和Bott格式。这些格式都是正定的，在理想风场的数值实验中几乎无数值耗散，无计算频散。我们在B网格中央差格式（原MM4中的格式）、Upstream格式和 Prather格式等模式选择项下，对1982年6月的一次梅雨期暴雨过程进行了数值对比实验。结果表明:1）模式的预报能力对水汽输送格式的精度较敏感， 2）高精度的水汽输送格式（Prather格式） 提高了模式对暴雨区、降水场结构、雨团活动的预报能力，较真实地模拟出了尺度较小的降水系统的活动。 高精度的水汽输送算法有助于提高中尺度模式的预报精度。     

紧致平方守恒格式的构造和检验

为了适应气候和环境数值模拟的需要,本文在原有的显式平方守恒格式和紧致差分格式的基础上,研究构造出高阶紧致的平方守恒格式。文中给出格式的具体构造方法,也给出格式平方守恒性的严格证明。具体算例的计算表明,新构造的格式既提高了计算精度,又有良好的计算稳定性,并且适合推广应用于众多的大气、海洋和环境问题的数值模拟和预测问题。     

大气海洋环境数值模拟中的若干计算问题

为了适应发展气候数值模拟和环境数值模拟的需要,综合介绍了与此密切有关的若干计算问题。首先,指出这类问题易于出现计算紊乱、非物理解和非线性计算不稳定,同时,简要介绍造成这些问题出现的三种机理：虚假频散、能量关系破坏和能谱的非线性转移。然后,把这类问题归结为一种“发展方程”,给出了与此有关的几个定理,阐述了计算稳定性、能量守恒性和算子非负性之间的密切关系。接着,分别介绍了多种完全平方守恒的差分格式的构造方法,其中包括隐式的和显式的完全平方守恒的差分格式,高时间精度和高阶紧致的完全平方守恒的差分格式,同时也给出若干具体算例说明这些格式的计算效果。最后,对全文作了小结,并指出今后应进一步研究的若干重要问题。     

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。     

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     

Gerris数值方案及其在海洋数值模拟中的应用

基于动态自适应网格的开源软件Gerris受到越来越多海洋和水文研究者的关注.概述了Gerris开发背景、研究现状和特点,详细阐述了Gerris数值方案,包括动态自适应网格、动态负载平衡技术原理、广义正交曲线坐标系、内嵌复杂固体边界和地形数据的处理方法,并探讨了Gerris在海洋数值模拟中的初步应用.结果表明,Gerris动态自适应网格在多尺度问题模拟中的优势独特,在海洋数值模拟应用中可通过自适应网格提高地理特征的精度,通过GTS(或KDT)格式的数据来处理地形和网格,达到同时兼顾精确性和易用性的目的,使得Gerris与其他海洋模式进行有机结合成为重要发展方向.     

非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验

传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的,在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案,利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试,着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明:在非均匀网格下,提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%),特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时,高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势,4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。      

两种变时间步长的显式差分算法

针对一类大气、海洋问题，从算子方程出发，在显式完全平方守恒差分格式的基础上提出两种变时间步长的差分算法，使数值计算更加有效。在人工调节时间步长法中，通过人为控制方程中算子能量变化的办法调整时间步长；在自动调节时间步长法中，通过数值试验自动比较出所构造差分格式稳定性的好坏，将它与泰勒展开法及分解算法进行混合应用，验明了自动调节时间步长法具有综合判断差分格式好坏的功能，并得出一些有意义的结论。     

最优差分方案

在数值预报和数值模拟中,描述空间微分项的最主要的方法是有限差分法,但使用差分方法会引入截断误差.伍荣生1979年指出,通过在原物理场的基础上构造一个新的物理场,替代原物理场进行差分计算,可以达到减小误差的目的.该文是伍荣生1979年工作的继续,目的在于解释伍荣生1979年所构造的差分格式并得到更为一般化的差分格式.文中给出新的差分格式结合了经典有限差分方法的快速计算和谱方法的高精度的优点.如果在一个给定的网格上对气象要素场进行离散傅里叶级数展开,则基函数(正弦或余弦)的频谱是事免已知的.作者将伍荣生1979年构造物理场的方法视为对物理场的一次平滑,探讨了获取二次平滑场、多次平滑的一般化方法.获取平滑场的基奉原理是使得在固定频谱上的差分逼近程度达到最优.通过对频谱上的累计误差的下降速度分析表明,平滑次数的上限为3次.数值分析的结果表明,二次平滑的最大误差是未作任何平滑的最大误差的0.04倍,在使用相同计算代价的情况下,二次平滑的最大误差是经典的差分格式的0.3倍.平流试验的结果也表明,新的差分格式即一次平滑、二次平滑方案的结果远远优于经典的差分格式.新的差分格式意义在于,在不加密网格的情况下提供了一条提高数值计算精度的途径.     

三角形法计算涡度和散度的一种改进方案

从涡度和散度的定义出发,导出了一种三角形法计算涡度和散度的改进方案,与以往的方法相比,更方便且计算精度更高。     

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。     

Runge-Kutta算法与Li差分法不同阶数配合对计算精度影响研究

为了充分发挥高阶Li空间微分方案（Li, 2005）的优点,实现了时间积分为2~6阶Runge-Kutta（简称RK）格式的偏微分方程求解算法（简称RKL算法）。然后通过多组数值试验,研究了时间积分阶数对计算误差的影响。线性平流方程的试验结果表明对于方波函数型初值,2、4、5和6阶RK算法能获得和3阶精度差不多的结果,而对于高斯函数型的初值,高阶RKL算法可以取得较好的计算效果。RK为5（6）阶时,对应的Li微分阶数可达9（10）阶,总误差控制在10-7（10-8）以内。随RK阶数增加Li微分有效阶数有增加的趋势,而总误差在逐渐减小。计算非线性无粘Burgers方程时,RKL算法能否获得好的计算结果,除了受初始场形式的影响,还与计算的目标时刻有关。当目标时刻解的各阶导数连续（且未出现无穷大数值时）,高阶（RK为4~6阶）算法是有效的;若出现了导数间断、或导数为无穷大,就会碰到冲击波解类型的问题,此时高阶RK算法也无法获得很高精度的数值解。此非线性的算例中,Li微分阶数仍然随RK阶数增加而增加,但增加的趋势不是线性的,具体变化关系可以通过实验结果拟合而获得。研究发现时间积分方案阶数大于3之后,对应的最优空间差分精度阶数可以比6阶提高很多,这再次证明了以前研究中6阶以上空间差分格式对结果无改进的现象,是由于没有使用足够高精度的时间积分方案引起的。相比于Taylor-Li（Wang,2017）算法,5~6阶的RK方法编程和实现简单,计算结果的精度比3阶算法要提高很多,因此,它是一种能够对复杂方程适用的简易高阶算法方案,具有一定的实用价值。     

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。     

有限区域风速场求解流函数和速度势场的有效方案

流函数和速度势是表示风场的一种变量, 在数值天气预报模式和分析、同化方案中经常使用, 通常可以用风速分量场求解Poisson方程得到。对于有限区域系统, 往往采用差分方法, 但由于存在边界问题, 用计算所得到的流函数和速度势场重建风速场, 在边界附近经常出现明显的偏差。基于差分方法、利用有限区域风速场求解流函数和速度势场的基本方法和特点的分析, 在Arakawa A网格分布的有限区域, 设计了一种用差分方法求解流函数和速度势场的有效方案。在该有效方案中, 通过将有限区域向外扩展二圈, 风速场线性外推, 改进计算边界风速值和边界定解条件的效果; 尽可能使用协调、一致的差分格式, 提高求解精度; 最后利用一种增量订正迭代方法, 迭代2~3次就可以获得令人满意的结果。实例试验的对比、检验显示, 用该方案计算求得的流函数和速度势场重建风速场, 具有非常高的精度。     

A High-Order Spatiotemporal Precision-Matching Taylor–Li Scheme for Time-Dependent Problems

Based on the Taylor series method and Li's spatial differential method, a high-order hybrid Taylor–Li scheme is proposed.The results of a linear advection equation indicate that, using the initial values of the square-wave type, a result with thirdorder accuracy occurs. However, using initial values associated with the Gaussian function type, a result with very high precision appears. The study demonstrates that, when the order of the time integral is more than three, the corresponding optimal spatial difference order could be higher than six. The results indicate that the reason for why there is no improvement related to an order of spatial difference above six is the use of a time integral scheme that is not high enough. The author also proposes a recursive differential method to improve the Taylor–Li scheme's computation speed. A more rapid and highprecision program than direct computation of the high-order space differential item is employed, and the computation speed is dramatically boosted. Based on a multiple-precision library, the ultrahigh-order Taylor–Li scheme can be used to solve the advection equation and Burgers' equation.     

NWP模式中纬向平均环流系统误差的动力诊断

证明了模式在预报时段的纬向平均环流误差，是由于在预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程的不同造成的。又由于原始方程的无加速定理中各强迫因子具有良好的线性迭加性，因此能够清楚地将造成模式系统误差的动力因子分解开来。通过对Ｔ４２Ｌ９模式的分析，说明原始方程的无加速定理可以作为分析模式系统误差的良好手段。动力诊断分析结果表明，模式对纬向平均环流分布具有较好的预报能力，但在各缔带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，本文研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。     

WENO格式与虚拟单元浸入边界法在笛卡尔网格中的应用

高精度有限差分WENO格式在结构网格上处理具有复杂几何外形绕流问题时较困难,而虚拟单元浸入边界法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于复杂几何外形边界的处理.为此,在笛卡尔网格上采用WENO格式以求解Euler守恒律方程,试图将两者有效结合起来,希望能在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题.最后,几个经典数值算例的结果验证了该方法的有效性.