一个有限差分大气环流模式的并行效率

适合于大规模并行处理机（ＭＰＰ）的中国科学院大气物理研究所新一代九层大气环流模式（ＩＡＰ ９Ｌ ＡＧＣＭ）被发展成功。本文描述了并行模式的设计原则，给出了该模式的并行版本在我国几种主要的并行机上的并行执行效率数据。采用消息传递方式（ＭＰＩ）的区域分解方法用于实现程序的并行，结果表明，对于该模式，只有一维区域分解方法才能取得较好的并行可扩展性，即随着处理器的增加而能得到相应较好的并行加速比和并行效率。     

一个中尺度模式中高分辨边界层的参数化

建立一个高分辨大气边界层模式。然后,把该模式与一个中尺度数值预报模式进行耦合并把模式计算结果与实测结果进行了对比。结果表明,该耦合模式能够模拟出大气边界层的流场、温度场和气压场的特征。     

Projection of Future Precipitation Change over China with a High-Resolution Global Atmospheric Model

Projections of future precipitation change over China are studied based on the output of a global AGCM, ECHAM5, with a high resolution of T319 (equivalent to 40 km). Evaluation of the model’s performance in simulating present-day precipitation shows encouraging results. The spatial distributions of both mean and extreme precipitation, especially the locations of main precipitation centers, are reproduced reasonably. The simulated annual cycle of precipitation is close to the observed. The performance of the model over eastern China is generally better than that over western China. A weakness of the model is the overestimation of precipitation over northern and western China. Analyses on the potential change in precipitation projected under the A1B scenario show that both annual mean precipitation intensity and extreme precipitation would increase significantly over southeastern China. The percentage increase in extreme precipitation is larger than that of mean precipitation. Meanwhile, decreases in mean and extreme precipitation are evident over the southern Tibetan Plateau. For precipitation days, extreme precipitation days are projected to increase over all of China. Both consecutive dry days over northern China and consecutive wet days over southern China would decrease.     

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。     

基于J-Earth领域编程框架的高效并行大气环流模式(H-GAMIL)构建

高性能并行计算,一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而,随着计算机技术的发展,计算机体系结构越来越复杂,以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法:基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth,构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后,结合J-Earth的特点,采用面相对象的编程方式,对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点,并具有自动二维剖分、MPI(Message Passing Interface)和Open MP(Open Multi-Processing)混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制,串行IO等问题。在此基础上,本文对H-GAMIL进行了并行效率测试,结果显示,模式水平分辨率为1°(纬度)×1°(经度)时,可使用上千处理器核,并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性;同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析,其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性,并且具有与原模式相当的模拟性能,能够满足气候研究的计算需求,达到实用程度。     

Performance of a Reconfigured Atmospheric General Circulation Model at Low Resolution

Paleoclimate simulations usually require model runs over a very long time.The fast integration version of a state-of-the-art general circulation model (GCM),which shares the same physical and dynamical processes but with reduced horizontal resolution and increased time step,is usually developed.In this study,we configure a fast version of an atmospheric GCM (AGCM),the Grid Atmospheric Model of IAP/LASG (Institute of Atmospheric Physics/State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics),at low resolution (GAMIL-L,hereafter),and compare the simulation results with the NCEP/NCAR reanalysis and other data to examine its performance.GAMIL-L,which is derived from the original GAMIL,is a finite difference AGCM with 72×40 grids in longitude and latitude and 26 vertical levels.To validate the simulated climatology and variability,two runs were achieved.One was a 60-year control run with fixed climatological monthly sea surface temperature (SST) forcing,and the other was a 50-yr (1950-2000) integration with observational time-varying monthly SST forcing.Comparisons between these two cases and the reanalysis,including intra-seasonal and inter-annual variability are also presented.In addition,the differences between GAMIL-L and the original version of GAMIL are also investigated. The results show that GAMIL-L can capture most of the large-scale dynamical features of the atmosphere, especially in the tropics and mid latitudes,although a few deficiencies exist,such as the underestimated Hadley cell and thereby the weak strength of the Asia summer monsoon.However,the simulated mean states over high latitudes,especially over the polar regions,are not acceptable.Apart from dynamics,the thermodynamic features mainly depend upon the physical parameterization schemes.Since the physical package of GAMIL-L is exactly the same as the original high-resolution version of GAMIL,in which the NCAR Community Atmosphere Model (CAM2) physical package was used,there are only small differences between them in the precipitation and temperature fields.Because our goal is to develop a fast-running AGCM and employ it in the coupled climate system model of IAP/LASG for paleoclimate studies such as ENSO and Australia-Asia monsoon,particular attention has been paid to the model performances in the tropics.More model validations,such as those ran for the Southern Oscillation and South Asia monsoon, indicate that GAMIL-L is reasonably competent and valuable in this regard.     

非线性平流方程计算稳定性对初值的依赖性研究

对一维平流方程向前差格式的一个计算不稳定特例进行了讨论，给出了四个命题，并得出结论：在一定的条件下，可以对初值稍加改变，使其在x轴一侧分布而达到计算稳定，从而改进并修正了已有的相关结论。     

分块地形坐标大气环流模式框架的计算稳定性及数值试验

用数值试验方法讨论了分块地形η坐标大气环流模式动力框架的计算稳定性; 采用实际初始场, 该框架能够长期稳定地积分.在积分前100d内总有效能量变化很小, 总质量守恒、各物理量场的数值和波形都得到很好保持, 这表明该框架稳定性好.在分析了该框架的积分结果后可知其合乎物理事实, 与IAP 2.0的动力框架相比, 能更好地反映出大地形的环流形势, 这说明有大地形时采用分块地形η坐标要较σ坐标好.另外, 还对青藏高原等大地形的纯机械强迫作了数值试验, 得到了地形强迫平均槽脊的分布特征, 给出了地形纯机械强迫造成的准定常行星波的图像. 这些工作表明采用分块地形η坐标处理大地形是合理可行的.     

河湖沙冲淤和三角洲发育的长期数值模拟研究

本文利用一个二维的水动力学和泥沙冲淤动力学模式,对河床演变和三角洲的发育过程进行数值模拟研究。动力模式包括水流方程、悬沙输送方程和底床变化（含推移质运动）方程。数值积分格式采用ＩＡＰ平方守恒格式和分解算法,使计算既省时又长期稳定。对一个理想的河湖区域进行了长达５０年的数值积分。模拟结果肯定了曾庆存等以前得到的主要结论,并得到一些新的结论。研究表明：泥沙首先在河流入口处沉积,并逐渐向下游推进和向河槽两边延伸;随着泥沙的沉积,底床逐渐升高,在河槽中形成了一个沙岛;在沙岛上游,原河槽中沉积的泥沙又被冲刷,重新出现深河道;数值积分５０年后,人口处已形成一个巨大的冲积扇（水下三角洲）,并不断向下游扩展,三角洲（包括沙岛）的前缘十分陡峭;由于泥沙的沉积,河床抬升,水深变小,水流速度场在整个堆积扇上明显增大,并在三角洲前缘出现明显的绕岛环流和河流分叉现象。模拟结果还表明,在漫滩区泥沙只淤不冲,而在河槽中既有淤积又有冲刷。此外,由于泥沙的淤积,使得湖型水库的水流入口处（库尾）水位明显抬高（即所谓“翘尾巴”现象）。这些结果在定性上与有关湖泊型水库淤积的观测事实是相当符合的。     

The Impacts of Initial Perturbations on the Computational Stability of Nonlinear Evolution Equations

The impacts of initial perturbations on the computational stability of nonlinear evolution equations for non-conservative difference schemes and non-periodic boundary conditions are studied through theoretical analysis and numerical experiments for the case of onedimensional equations.The sensitivity of the difference scheme to initial values is further analyzed.The results show that the computational stability primarily depends on the form of the initial values if the difference scheme and boundary conditions are determined.Thus,the computational stability is sensitive to the initial perturbations.     

一个简单海气耦合模式预报性能评估

对改进初始强迫风场后的Zebiak-Cane海气耦合模式预报性能进行了全面评估。结果表明：1）耦合模式在20世纪90年代预报能力小于80年代；提前0～5个月的耦合模式预报能力小于同期持续预报能力，之后则相反；耦合模式对Nino3区指数预报能力最强。2）在1997／1998年El Nino事件期间，耦合模式对东太平洋SSTA场预报能力大于其对中西太平洋SSTA场的预报能力，且提前0～2个月之后的耦合模式对东太平洋SSTA场预报能力远远大于持续预报。     

发展方程计算稳定性的比较分析

对线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,对线性与非线性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非线性计算稳定性的关系。     

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.     

国家气象计算网格的设计与建立

气象部门内高性能计算资源与支持能力具有地域分布不均匀的特点,地方部门与国家级单位相比,在资源丰富程度和开发应用水平上都存在较大差距。针对气象部门国家级、地方单位的资源整合、共享和管理的需求,该文提出了一个国家气象计算网格的设计方案。设计方案采用国家级、区域、省级三级节点布局,通过跨广域范围的气象宽带网互联,基于整合的资源平台设置了资源管理、应用服务和用户接口等功能层模块。利用UNICORE等关键技术,开发实现了气象计算网格软件模块。建成了一个全国分布的6个网格节点,提供网格中间件和定制业务运行两种资源共享服务方式。业务运行以来,为资源匮乏地区的气象用户共享分发预报服务产品,为当地的减灾防灾工作做出了贡献。     

High-Resolution Fibre-Optic Temperature Sensing: A New Tool to Study the Two-Dimensional Structure of Atmospheric Surface-Layer Flow

We present a novel approach based on fibre-optic distributed temperature sensing (DTS) to measure the two-dimensional thermal structure of the surface layer at high resolution (0.25 m, ≈0.5 Hz). Air temperature observations obtained from a vertically-oriented fibre-optics array of approximate dimensions 8 m × 8 m and sonic anemometer data from two levels were collected over a short grass field located in the flat bottom of a wide valley with moderate surface heterogeneity. The objectives of the study were to evaluate the potential of the DTS technique to study small-scale processes in the surface layer over a wide range of atmospheric stability, and to analyze the space–time dynamics of transient cold-air pools in the calm boundary layer. The time response and precision of the fibre-based temperatures were adequate to resolve individual sub-metre sized turbulent and non-turbulent structures, of time scales of seconds, in the convective, neutral, and stable surface layer. Meaningful sensible heat fluxes were computed using the eddy-covariance technique when combined with vertical wind observations. We present a framework that determines the optimal environmental conditions for applying the fibre-optics technique in the surface layer and identifies areas for potentially significant improvements of the DTS performance. The top of the transient cold-air pool was highly non-stationary indicating a superposition of perturbations of different time and length scales. Vertical eddy scales in the strongly stratified transient cold-air pool derived from the DTS data agreed well with the buoyancy length scale computed using the vertical velocity variance and the Brunt–Vaisala frequency, while scales for weak stratification disagreed. The high-resolution DTS technique opens a new window into spatially sampling geophysical fluid flows including turbulent energy exchange.     

半拉格朗日、半隐式欧拉方程组大气数值模式研究

介绍了一个具有较高时间积分效率的三维弹性大气数值模式。其中,控制方程为能够描述大气非静力及可压缩性的欧拉方程组,时间积分采用了高效率的“半拉格朗日、半隐式”方案。通过引用一个简化的“云物理过程”参数化方案,针对大气中深厚湿对流过程的若干问题进行了数值试验,结果表明,模式能够对该过程中的一些基本和复杂现象进行有效地模拟。试验结果还表明,动力学框架具有很好的稳定性,能够实现高效率的时间积分,它还具有较好的频散特性,保证了空间计算的精度,从而完好地描述了风暴的形态。     

CERES-Wheat模型在我国小麦区的应用效果及误差来源

气候模型与作物模型耦合是评价未来气候变化对作物生产影响的常用方法之一, 但当两者结合时, 存在着空间和时间尺度差异问题, 将作物模型升尺度到区域是解决该差异的一种方法。将CERES-Wheat模型升尺度进行区域模拟, 利用区域校准后的CERES-Wheat模型, 模拟了1981—2000年全国各网格小麦产量, 与同期农调队调查产量相比较, 以探讨CERES-Wheat模型在我国小麦区的模拟效果及误差来源。结果表明:全国小麦产量的区域模拟值与农调队调查产量的相对均方根误差为27.9%, 符合度为0.75, 全国59.2%的模拟网格相对均方根误差在30%以内, 其中相对均方根误差小于15%的占26.3%;各区的效果不同, 种植面积最大的小麦种植生态2区, 模拟效果最好。总体来说, CERES-Wheat的区域模拟, 可以反映产量变化规律, 能为宏观决策提供相应信息, 尤其是在主产区; 但区域模拟中还存在一系列误差, 今后还需进一步研究。     

城市近地面高分辨率快速风场模型构建与应用

介绍了城市近地面高分辨率快速风场模型的构建,以中尺度模式结果作为背景驱动场,5m分辨率建筑物资料作为模型数据输入,通过区块处理、分区函数插值和质量守恒约束,实现了在较短时间(2～3 h)内获得可覆盖城市尺度的高分辨率(10 m左右)的近地面风场。基于该模型对北京四环内主城区(20 km×19 km)在8个典型时刻的10 m分辨率风场进行了模拟和检验,结果如下:(1)在风速方面,模拟值与观测值相比往往会偏大些,夏季4个时刻模拟的准确率在90%以上,冬季4个时刻模拟的准确率在60%以上;在风向方面,8个时刻的准确率均在40%以上。(2)基于该风场模型模拟得到的高分辨率风场能够反映出北京主城区风的山谷风日变化特征;明显的风速大值区往往对应着粗糙度较小的下垫面,而一些密集高层建筑区域始终是流场凌乱的风速小值区。(3)以东二环某一区块为例,该高分辨率风场模型还可对重点街区的精细化风场特征进行展示,可以清晰地反映出流场因建筑物分布产生的分流、汇合、局部环流,以及尾流。综上所述,该城市风场模型为实现短时间内获得覆盖城市尺度的高分辨率近地面风场提供了有效途径。掌握城市尺度的精细化风环境特征,有助于识别亟需改善或限制开发的关键区域,辅助城市通风廊道的合理构建和实施,从而达到优化城市内部通风性能、缓解城市热岛、增加风环境舒适度的最终目标。     

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.     

阴阳网格上质量守恒计算性能分析

质量守恒数值计算是球面准均匀阴阳网格构造全球大气环流模式的重要条件,也是提高阴阳网格应用质量的重要技术手段。本文针对通量形式平流方程,在球面坐标上采用多种理想数值试验对阴阳网格上的三种守恒计算方案和边界插值非守恒计算方案进行了比较检验。发现,质量守恒方案不仅对全球数值积分重要,还影响数值计算精度,满足局地守恒条件的全球强迫守恒方法可以获得较高的精度;网格内质量均匀分布的阴阳网格边界通量一致性守恒强迫计算方案,实现了在不增加计算误差条件下保证局地和全球守恒的目的,且具有很小的计算负担,可以作为阴阳网格上全球质量强迫守恒的有效计算方案;而网格质量的线性分布可以有效提高阴阳网格的数值积分计算精度,但在一定程度上会增加计算负担。