用有限区域风速场准确求解流函数和速度势场的方法

流函数和速度势是气象业务和研究中常用于表述风速的一组变量。用有限区域风速场, 使用有限差分方法求解得到的流函数和速度势场重建初始风速场, 由于受区域边界的限制往往有明显的偏差。虽然有许多求解方法的研究, 但是, 至今仍尚未见到一种真正准确的求解计算方案。首先, 介绍用Arakawa A网格和D网格分布的有限区域风速场求解流函数和速度势场的一般有限差分计算方法, 探讨用它们的解重建风速场产生误差的原因。然后, 针对这些原因, 对给定的有限区域, 通过线性外推初始风速场, 扩展求解计算区域, 使用协调、一致的有限差分格式方案, 准确计算求解区域的边界有旋风速、散度风速和速度势的定解边界条件, 以及恰当选择流函数、速度势、涡度和散度等变量的分布网格, 设计了用上述两种网格分布的风速场准确求解流函数、速度势场的方案, 并对其正确性加以证明, 它们可以推广应用于其他Arakawa网格。用实际资料试验同样显示, 方案避免了重建风速场误差的出现, 与初始风速场相比, 全场风速最大偏差精度达到10-12m/s或以上, 在计算机精度造成的计算误差影响范围内。本文的研究很好解决了长期以来用有限区域风速场、 使用有限差分方法无法准确求解流函数和速度势场的问题。     

基于Endlich迭代调整的全球流函数和速度势计算及风场分解与重建

本文将有限区域求解流函数和速度势的Endlich迭代调整方法(E-T方法)推广至全球区域,并与常用Guass-Seidel迭代求解Poisson方程方法(G-P方法)进行了比较。结果表明:E-T方法适应于全球流函数和速度势的计算,其由内向外调整,不需严格考虑边界条件,可消除边界对计算结果的影响;E-T方法能准确分解和重建原始风场,而由于极地边界和差分格式影响,G-P方法求得的旋转风和辐散风之和不能准确重建原始风场,尤其是经向为固定边界时,两极地附近重建风场误差非常明显;E-T方法与G-P方法另一重要差异是前者利用流函数和速度势与风场偏微分关系直接进行迭代求解,不需计算涡度和散度,不但保证了重建风场的准确性,还防止了涡度和散度计算误差带来的二次污染。     

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。     

有限区域流函数和速度势的3种求解方法在分析台风Bilis暴雨增幅中的比较研究

将有限区域流函数、速度势求解中常用的两种张驰法(即理查逊法和加速利布曼法)与调和—余弦谱展开法(H-C法)进行了比较,理论研究表明:H-C法单独考虑边界影响分量,物理意义明确,且不会丢失边界上的天气系统;从计算上看,H-C法重建的风场能精确还原原始风场,且计算效率明显高于两种张驰法,即收敛更快。通过在台风Bilis(0604)暴雨增幅过程诊断中的应用发现,常用的两种张驰迭代方法在求解有限区域流函数和速度势的问题上效果都不是很好,即:用理查逊法和加速利布曼法计算的流函数和速度势重建的风场与原始风场差别较大,不能准确还原原始风场;用H-C法不仅计算效率高,还原的风场与原始风场差异极小,且不受南边界较强的西南季风涌影响,在暴雨增幅前期能较好地反映与暴雨增幅相关的强辐合信号。因此,可用H-C法计算得到的无辐散风和无旋风对有限区域的天气系统进行更深入的动力结构分析。     

有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用

在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。     

T213数值预报产品与多普勒雷达图像相结合在对流天气在的应用

利用Micaps系统中的T213数值预报产品和714CD多普勒天气雷达的强度和速度回波资料、径向风场资料，对贵阳机场的对流天气进行分析。指出在用常规天气图进行外推预报的同时，结合T213数值预报物理量预告场提前预测天气趋势和变化，利用多普勒雷达连续探测的特点，弥补时间和空间密度的不足，并运用多普勒速度图和VAD技术来识别和反演流场结构和中小尺度天气统，密切监测对流天气的发生、发展、提高了短时预报的精度。     

天气动力学诊断分析讲座 第一讲:流函数和速度势的计算

本讲座内容简介:天气动力学中的诊断分析方法是现代气象学中常用的研究方法。对大尺度观测资料场,用适当的热力学和动力学方程对研究的现象进行计算和分析,可以了解大气中各种物理过程和动力过程的相对作用。并在此基础上得到某一种天气现象和系统的概念模式。同时,诊断分析也是将理论研究结果与天气分析联系起来的一种基本手段。近年来,气象学者利用流函数和速度势的计算结果,对辐散风和无辐散风形式的收支方     

T213数值预报产品与多普勒雷达图像相结合在对流天气中的应用

利用Micaps系统中的T213数值预报产品和714CD多普勒天气雷达的强度和速度回波资料、径向风场资料,对贵阳机场的对流天气进行分析.指出在用常规天气图进行外推预报的同时,结合T213 数值预报物理量预告场提前预测天气趋势和变化,利用多普勒雷达连续探测的特点,弥补时间和空间密度的不足,并运用多普勒速度图和VAD技术来识别和反演流场结构和中小尺度天气系统,密切监测对流天气的发生、发展,提高了短时预报的精度.     

湿Q矢量在一次冷锋降雪过程中的应用

利用常规气象观测资料和NCEP 1°×1°再分析格点资料.对2008年1月28-29日一次强降雪天气过程进行诊断分析,计算了非地转湿Q矢量流场、非地转湿Q矢量水平和垂直分布以及非地转湿Q矢量锋生函数.结果表明,非地转湿Q矢量辐合区是强降雪发生的有利区域,非地转湿Q矢量散度负值区和非地转湿Q矢量锋生函数正值区能较好地预报出未来6 h降水落区,且其中心数值大小与未来6 h降水强度存在正相关关系.     

940624大暴雨中尺度分析

对１９９４年６月２４￣２５日发生在河南省北中部地区的大暴雨，除进行天气背景、层结稳定度分析外，着重对中尺度流场及７１４ＣＤ资料特别是多普勒速度进行了分析，总结了产生对流性大暴雨时多普勒速度场上的特征，为制作短时强对流天气的预报提供了依据。     

三维山体过山气流流场特征的数值模拟

采用高阶矩湍流闭合方案，建立了一个细网格、高分辨率、三维非静力ＰＢＬ数值模式，并由其模拟了三维山体条件下的流场结构和湍流场特征。为反映数值模拟结果的可靠性，对中性条件下三维山体流场进行了风洞试验。与数值模拟结果对比分析表明，数值计算与风洞试验结果有较好的一致性；使用该模式模拟山体条件下的流场结构能取得较好的结果；将模拟结果作为随机游动扩散模式的三维风场及湍流场资料输入，为复杂地形条件下大气污染的研     

泊松方程分解解法迭代参数的一种选择

在大气动力学的研究过程中,常用位涡度方程讨论大尺度天气过程的动力学特征,一般可把位涡度写成~2φ λ~(-2)φ=ω(其中φ表示流函数)。因此求位涡方程数值解的过程中,除了要解决所谓“非线性”问题之外,还要考虑椭圆型方程的数值方法。李荣凤等说     

基于雷达回波区域跟踪算法的临近预报技术进展

目前,临近预报技术主要包括外推技术、数值预报技术以及概念模型预报技术等。而业务上主流的临近预报技术以外推为主,主要以雷达资料为基础,采用雷达回波单体质心跟踪算法或雷达回波区域跟踪算法,得到雷达回波以及降水的临近外推预报。本文详细介绍了3种基于雷达回波区域跟踪算法(交叉相关回波跟踪算法、光流法和变分回波跟踪算法)的临近预报技术的国内外研究进展和基本原理。大量的研究和业务实践结果表明,雷达回波区域跟踪算法作为临近预报专家系统的核心部分,在对流天气临近预报方面有较好的可预报性,在临近预报业务时效内,外推预报结果和实况接近,优于数值模式预报。而通过对算法的不断改进,可以提升各临近预报专家系统在临近预报方面的性能。随着天气雷达技术的不断进步,天气雷达在硬件和软件两方面都逐步改进,雷达资料的数据质量明显提高,在对流天气临近预报上,基于雷达回波的区域跟踪技术会凸显其明显优势。     

华南春季强对流天气过程的动能收支（一）总动能收支

本文利用常规探测资料计算和分析了1983年3月1日影响珠江三角洲的一次强对流天气过程的总动能收支。结果表明：就时间区域平均而言，动能制造项是总动能源；动能水平通量散度和次网尺度过程则消耗区域的功能；几乎所有的主要收支项数值，都在高空急流所在的对流层上层最大；网格尺度的垂直输送使动能由对流层中、低层向高层输送，但次网格尺度过程使动能下传。在风暴影响前后，各能量的收支项都有明显的改变。     

长江中下游地区春季连阴雨、连晴过程中850hPa流函数场及势函数场特征

本文应用1980年至1987年3—5月欧洲中期天气预报中心的风场格点资料,通过对流函数ψ场、势函数X场的计算和分析,得出了长江中下游地区春季连阴雨、连晴天气过程中850hPa高度层的流场、散度场特征,并重点讨论了热带环流系统的影响。     

能量守恒的自适应网格模式在南海月平均流计算中的应用

本文在正压原始方程的基础上发展了一套适用于自适应网格坐标的自适应网格模式。该模式保持了笛卡尔坐标系下原有的整体积分性质。由于自适应网格与计算区域边界相重合，因而该模式可用于具有复杂形状的区域边界的计算问题。本文将其用于南海月平均流的数值模拟，取得了良好的效果。     

诊断量无信度时的资料误差限和诊断场无信度区的鉴别

本文用误差传递公式讨论了涡度攻度计算过程中的误差放大现象，指出放大因子的构造形式由差分方案决定，而放大因子的数值大小由流场的风向结构和风速结构决定。放大率随流场结构的变化而在很大范围内变化，致命部分区域诊断结果无信度，本文提出了散度涡度诊断结果无信度时的风场误差限概念，并相应建立了对诊断场作信度鉴别的方法。     

区域三维变分同化中背景误差协方差的模拟

背景误差协方差(B)是变分同化中的一个重要部分,极大地影响同化系统输出的分析场.由于计算和指定B中有关统计量需要巨大的资料存储量和计算量,因此进行相关的研究较为困难.本文首先论述了B在变分同化中的重要性以及进行模拟的必要性;接着介绍了美国NMC方法的原理,并研究将其应用到区域三维变分同化中的方法;然后利用WRF模式生成的预报场差值集合对有关统计量进行了估计.揭示了以下结论:通过使用平衡变换和回归系数,控制变量被限制在较小范围内,保证了分析场的质量;流函数第一全局特征向量在200 hPa附近的最大分量,表示了急流层中强西风误差;流函数前五个全局特征向量在低层与中高层之间是负相关的;非平衡温度和相对湿度的特征长度尺度比流函数和非平衡速度势的值要小,说明它们是局地性较强的量.流函数和非平衡速度势的特征长度尺度随垂直模态数的增大快速减小,而相对湿度和非平衡温度的特征长度尺度随垂直模态数的变化较为平缓.     

双CPU并行算法求解Poisson方程零边界值问题试验

本文是把传统的大气、海洋问题中常用的串行迭代法——Liebmann方法（点迭代）和局地格林函数迭代法（局地点迭代），从算法上变成适合于IBM—4381（P03）双CPU并行执行的并行算法，求解Poisson方程零边界值问题。实例计算试验表明:上述两种方法的并行算法的效率是同一计算问题的串行算法的1.8倍和1.9倍；若把区域扩大，局地格林函数并行迭代效率可达2.8倍，大大超过IBM公司所称P03型机是P01型机的1.7倍的效率；本文还指出IBM-4381（P03）型计算机的两个CPU在执行并行运算时，可以共享数据组。     

GRAPES全球三维变分同化系统--基本设计方案与理想试验

中国气象局数值预报研究中心开发了一个全球和区域统一框架的格点三维变分资料同化系统(GRAPES3D-Var).作者给出全球版本的方案设计,采用单点观测试验检验方案设计的合理性和正确性.全球方案选择流函数、速度势、非平衡高度和相对湿度作为分析求解的控制变量,用线性平衡方程作为质量场和风场的动力约束,通过预调方法解决背景误差协方差矩阵阶数过大和难以求逆的问题,其中垂直变换和物理变换以及观测算子设计等方面与区域方案相同,但预调的水平变换采用球谐函数谱滤波表示背景误差协方差的水平相关模型,避免了递归滤波在高纬和极区因相关尺度过大无法实施的问题.另外,设计了一个使极区插值和差分计算完全闭合的网格以及相应的算法,解决了极点分析问题.单点观测理想试验结果表明,GRAPES 3D-Var系统能够合理给出全球任何地区的分析.