论∂ζ/∂t+u∂ζ/∂x=0方程的所谓“先向前差、后中央差”差分格式的稳定性和收敛性

针对■ζ/■_t+u■ζ/■_x=0方程,本文首先讨论了在一般情形下所谓“先向前差、后中央差”差分格式的稳定性,并给出了稳定的条件。其结果和一般只用中央差分的情形有所不同。利用三种差分格式进行比较,发现目前广泛应用的用向前差计算第一个时间步长,以后全用中央差的格式是最差的;当λ(=uΔt/Δs)→1—0时,计算并不稳定。如果用另两种格式中任一种代替向前差,则可以避免这个困难。其中又以“逆2—3格式”较好。     

一种提高数值模式时间差分计算精度的新格式———回溯时间积分格式

为了使用以制作数值预报的微分方程中包含更多的信息量、以期提高预报准确度, 该文提出了一种基于记忆动力学的时间积分格式。以天气预报为实例, 计算表明, 平流方程的回溯时间积分格式所得的预报准确度大大高于传统的蛙跃差分格式。此方法在海洋、水文、环境、航空等应用平流方程计算的多种科学中亦是有效的。     

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:     

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.     

正压涡度方程中考虑粘性项与平滑过程的一些意见

本文首先讨论了如何依据空间步长来选取平滑系数。其次考虑在涡度方程中加上粘性项后对微分方程解的影响,讨论如何选取适当的粘性系数。第三讨论涡度方程加粘性项后对差分格式计算稳定性的影响,证明了在常用时间中心差分格式中应把粘性项取在第(n-1)时间层,这样计算才是稳定的。反之,如把粘性项取在第n时间层,则差分格式计算不稳定。并且时间向前差的格式在加上粘性项后也可以稳定,但要求的粘性系数过大。最后讨论了用涡度方程作数值预告时加上平滑过程与加上粘性项之间的关系,从计算上看,二者并不等价。但可以把平滑过程与扩散方程类比,以确定适当的平滑系数。     

分解算法中的两个问题

文中指出了分解算法中的两个问题:(1)为了使算法获得最佳效果,除按快、慢过程分解方程外,进一步的分解应按什么原则?(2)时间离散是否可以任意,如果不然,应采取什么形式?针对这两个问题得到的研究结果是:和一般设计简化模式一样,分解后的方程应保持原方程的重要物理性质,特别是其整体性质(如能量守恒和质量守恒等),而且,其分解后方程的解还应和原方程的解一致,至少对其中重要的解应一致.至于时间离散,在差分的情况则应采用二时间层格式;如采用三时间层格式,则会导致差分方程(或差分微分方程)和偏微分方程的不相容.     

关于半拉格朗日半隐式大气模式的时步问题

讨论半拉格朗日半隐式大气模式中时步的限制,展示时步过大时用一般的首尾两点平均方案计算非线性源汇项的严重误差,提出精确的源汇项计算格式并作了特例计算和比较,讨论了被模拟的大气过程和波动的特征对时步的要求,指出柯朗数NC=C·△t/△X是大气模式时空步长匹配的重要参数.指出云降水和大气化学过程特征时间对相应的正定变量的计算时步的限制.     

发展方程差分格式的构造和应用

本文把许多拟线性方程归结为算子形式的“发展方程”:F/t+AF=0.证明了带有非负算子A的“强隐式(即1/2≤θ≤1)格式”是绝对隐定的;而带有反对称算子A的“弱隐式和显式(即0≤θ≤1/2)格式”是绝对不稳定的。文中又以一维非线性平流方程为例,具体地构造了具有非负算子A的三种差分格式和相应的带人工耗散项的稳定格式,给出一个计算实例,说明后一类格式对消除虚假的寄生波也是很有效的,适于计算有间断的问题。     

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。     

大气动力学初始方程组的一种数值积分方法

天气数值预报工作中所用的初始方程显式差分格式,时间步长取得很短,实际应用很不方便。比如,空间步长取300公里,时间步长只能用10分钟。本文提出一种新型显式差分格式,其计算稳定性不受时间步长(τ)和空间步长(d)大小的限制,由|λ_e|τ/d(e=1,2,3)的整数部分m_e=[|λ_e|τ/d],控制执行“浮动”计算,保持计算稳定。这种差分格式曾用104电子计算机作检验计算,空间步长用25公里,时间步长取20分钟,计算过程稳定,结果精度较高,可与文献[1]中的结果相比较。这表明,初始方程的差分计算,适当延长时间步长是有可能的。     

介绍一个日最低气温预报方法

最低气温预报的准确率,目前在县站预报中还是一个难点.从1985年以来,我站用每日17时要素作基本因子,计算其最低气温的预报值,效果良好. 最低气温预报的经验公式如下: T_n=(1.4T+0.7T_t+1.2T_d-0 2u+3)÷4+△t 式中T_n为最低气温的预报值,T、T??、T_d、u分别为17时干球温度、湿球温度、露点温度、相对湿度.Δt为订正参数. Δt订正参数的确定:①预报时限内天气形势无大的变化,则Δt=0.②测站处于地     

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     

常见风参数的几种平均方法

一、风速的不连续平均法 对风参数进行平均,通常取T_0=10分,作为其平均时间间隔。在所选择的T_0范围内,风速V(t)的变化,可看作是具有各态历经性质的稳定随机过程。采用把湍流场分解为平均值场和脉动场的办法,可以写出 V(t)=V △AV(t)(1)式中V为T_0时间内速度的平均值;△V(t)为瞬时风速相对于平均值的脉动。 用高斯正态分布律来描述△V(t),具有足够的精度(参见本刊1982年第12期第33页)。所以在T_0时间内,V=常数,而△V(t)=0。     

“雅安天漏”研究 II. 数值预报试验

本文建立了一个用于研究“雅安天漏”的有限区域数值预报模式，并用该模式对10个“雅安天漏”个例进行了数值预报试验，取得了较满意的结果。该模式动力框架的主要特点是: (1) 模式的基本方程组便于构造出完全能量守恒的差分格式；(2)采用了静力扣除；(3)模式的垂直坐标选用了η坐标；(4)选用E网格作为变量的水平分布形式；(5)位势高度与其他预报量在垂直方向交错分布；(6)对E网格的波解分离问题采取了特殊的处理技巧；(7) 首次采用“半格距”差分解决了矩形E网格及球坐标E网格沿对角线的差分计算；(8)采用显示分解的时间积分方案；(9)尽量保留初始场信息。模式的物理过程主要包括: (1)大尺度凝结降水；(2)对流调整及对流降水；(3)水平扩散和垂直通量输送；(4)地面辐射收支和边界层参数化。试报降水的主要降水中心及降水范围与观测分析比较相似。大于10 mm和２５ mm降水的TS平均评分分别为0.41和0.32。     

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。     

二阶精度半隐式半拉格朗日轨迹计算和时间积分方案在GRAPES区域模式中的应用

将两时间层稳定外插方案(Stable Extrapolation Two-Time-Level Scheme,SETTLS)引入GRAPES区域模式,并将其用于上游点和非线性项的时间外插计算。对线性项采用二阶精度的非中央权重时间平均,并取等温参考大气的温度大于实际大气平均温度,以保证半隐式积分方案的稳定性。原GRAPES时间积分方案对线性项做一阶非中央权重时间平均,对参考大气的选择并无限制,而为保证稳定性,须取较大的非中央权重系数,但非中央权重系数会对低波数波动产生较强的衰减作用。理想试验结果表明,相比原GRAPES半隐式半拉格朗日(SISL)时间积分方案,新SISL时间积分方案计算稳定且对波动的衰减作用较弱。     

天气预报和气候模拟的数值模式的计算问题(续)

五、数值积分方法 1.微分方程的类型流型的演变可以从某个t=t_0时刻的初始条件出发,通过将有关的预报方程对时间的积分来决定。因为这些微分方程是非线性的,不容易求出解析解,所以我们必须借助于数值方法。数值方法是随微分方程的类型而异的。微分方程有两种主要类型——常微分方程和偏微分方程。前者只含一个自变量及其全导数,后者有几个自变量和偏导数。大尺度预报方程的一些重要的数值问题包含在形式为     

线性与非线性发展方程计算稳定性的比较分析

针对性与非线性发展方程的几种差分格式，以一维线性和非线性平流方程为例，对线性与非线笥发展方程差分格式的计算稳定性进行了比较分析，揭示了差分格式结构和初值形式与计算稳定性的关系。理论分析和数值试验证明，线性与非线性发展方程差分格式的计算稳定性在本质上是完全不同的。     

耗散与计算稳定性(二)

本文以带耗散项的非线性方程——Burger方程为模型,用截谱形式的差分解代入相应的差分方程,分析了数值天气预报中常用的一类三时间层差分格式的计算稳定性问题,特别讨论了计算初值、时间步长和耗散因子对计算稳定性的影响.利用定性分析和数值试验的方法证实这类三时间层格式有时容易出现非线性计算不稳定,尤其是两步计算初值反号和耗散系数过小的时候是如此.但是耗散系数也不能取得过大,否则也会出现计算不稳定.     

一类光滑算子和ε—Spline函数及计算网格点偏导数的一种格式

本文讨论并提出了一类气象上常用的带有可控制参数的光滑算子和一种ε—Spline概念。基于此,统一地给出了正方形(或矩形)网点的数值场的光滑算子公式和计算偏导数的一种格式。 光滑算子和差分格式中所含的参数,可以根据预报方程和滤波要求确定。我们以有限域正压原始方程为例,说明了如何确定对u,v(风场分量)和φ的光滑公式以及差分格式中的参数的方法。