物理守恒律保真全球谱模式辐射—云—对流过程的改进

辐射—云一对流相互作用的正确和合理描述是改进湿物理过程描述和数值模式的重要方面.在一个物理守恒律保真的全球模式中引入描述更细致的云参数化方案和辐射参数化方案,对6个30天实时资料数值积分进行分析.结果表明,通过云参数化方案中云描述的细化,改进了模式对云分布、云量、以及云水、云冰不同相态的模拟;辐射方案中对这些云水物质的...     

物理守恒律保真格式构造与数值预报斜压原始方程传统谱模式改进研究

文中构造并证明了一般二次和三次物理守恒律时间差分保真格式两个构造定理,以往一些主要时间离散守恒格式构造方案可作为两个定理特例给出。它们不仅可为解决更加广泛类别的时间离散保真格式构造基本问题提供适用数学基础,而且也为结合已有瞬时空间离散守恒格式,解决更加广泛类别的时-空离散意义下保真格式构造基本问题提供适用的数学基础。此外,文中两个定理还可解决两大类问题的线性和非线性计算不稳定性问题。斜压原始方程传统半隐式全球谱-垂直有限差分模式目前是世界上许多国家的业务预报和大气环流模式。本工作利用文中新构定理,构造并且实现了斜压原始方程全球谱-垂直有限差分模式半隐式高阶全能量守恒方案。以往该项基本问题无论在理论还是实践上长期以来一直都未能得到解决。     

有效的正压原始方程拟能守恒保真（拟）谱模式

本工作遵循保真计算原理与方法,对正压原始方程气象传统全球（拟）谱模式方案进行改造,构造了正压原始方程拟能完全守恒（拟）谱模式新型保真计算方案,解决了正压原始方程的（非线性）计算稳定性问题和拟能守恒整体性质保持问题,改进了相应正压原始方程气象传统全球（拟）谱模式方案的计算效能。新型保真方案的数值实验表明,计算实践中,新方案在解决拟能守恒问题的同时,可解决（非线性）计算稳定问题,并在一定条件下可解决非线性计算收敛性问题。进一步的比较数值实验还表明,计算实践中,新型保真计算方案在提高相应气象传统方案的计算精度、     

全球大气数值模式动力框架研究进展

随着数值计算方法和高性能计算机技术的发展以及大气科学理论的完善,国外研制出了许多全球高分辨率非静力大气数值模式,为了让国内的模式开发者对当前全球大气数值模式的现状有一个清晰的了解,归纳总结2012年8月在美国大气研究中心参与评估测试的全世界17个非静力全球大气数值模式,主要从基本方程组、球面网格、离散方法、守恒性质、参数化物理过程与动力框架的耦合和全球大气模式的评估等进行回顾、归纳和讨论,对国内的模式研发者有一定的参考意义。     

一个全球谱模式模拟能力的初步分析

为了进行大气环流的季节与年变化模拟研究,将墨尔本大学气象系用作固定月运行的9层15波全球谱模式[1]经林元弼修改后的版本(以下简称NGCM)加以改进,使其能运行在时间变化的状态中,构成一个可供时间变化运行的GCM(以下简称TGCM)。随时间变化的GCM是在太阳高度、海温,海冰、陆冰、云量和臭氧等参数随时间变化的状态下运行的。而固定月运行的GCM,它只在上述那些参数固定下运行。那么,当固定月模式改变为随时间变化运行时,是否能得到与固定月运行相当的结果?能否把一些具有明显季节性变化特征的现象表现出来?本文通过对TGCM得到的1月份与7月份的结果与墨尔本大学I.Simmonds[2]在固定月运行的1月份与7月份的结果(以下简称[2])的比较,以及TGCM对东亚西风带季节性变化的模拟,得到的结果是:在二年的时间变化运行中所得的1月和7月的平均情况各与固定月运行的结果基本相似。同时对东亚春夏之交西风带向北跳动的现象亦有相当程度的模拟。这个时间变化运行的模式可以用作全球或东亚季节与年变化趋势的模拟。      

物理守恒保真计算与理想斜压不稳定波模拟的改进

斜压不稳定是大气波动动力学最重要的机制之一,离散数值方案对斜压不稳定发展的描述能力是模式评估的重要内容和模式改进的重要依据。利用斜压原始方程全球谱模式,进行了Jablonowski-Williamson斜压不稳定理想试验,对传统计算方案和物理守恒律保真两方案进行了模拟结果比较,发现通过保持时间离散过程中的全能量守恒,物理守恒律保真方案能够有效地改进传统方案中斜压扰动发生时间延迟的问题,并且在同等条件下增大斜压扰动的发展强度。对涡动动能收支的分析表明,斜压扰动发生时间和发展强度的改进与能量转换的特征有直接联系;在传统方案的基础上,物理守恒律保真方案由于在时间离散中保持了整体物理守恒性质,能量转换率(尤其是斜压转换率)得到显著增强,从而增大斜压扰动的强度,消息改善与中尺度相关的梯度特征等。     

一个全球原始方程谱模式及其数值诊断检验

本文描述了一个全球原始方程谱模式及其方程组。模式在垂直方向取σ坐标,水平方向用球面勒尚得函数表示,并用三角形截差法取21个波,模式中包含有各种非绝热物理过程的参数化方案。时间积分采用半隐式方案,并考虑了地形的影响。模式的数值试验结果表明,该模式有能力模拟出人气环流中的许多基本特征。例如,纬向平均风场、温度场、径向环流、南北方向上物理量的交换和输送等等。模式在北京气象中心M-170机上积分一天,时间步长取45min,需要20min CPU时间,内存62k字节。因此该模式可以在国内大部份中型机上运行。     

大气环流模式中动力框架与物理过程的相互响应

用大气环流模式CAM3.1和IAP AGCM4.0对模式中动力框架与物理过程之间的相互作用及响应关系进行了初步探讨。选用理想的物理过程（Held-Suarez强迫）及完整物理参数化方案,分别对两个模式积分了60 d。试验表明,动力框架与物理过程之间的相互响应在低纬对流层和高纬对流层中上层有着较大的区别。在低纬对流层,动力框架及物理过程产生的温度倾向都有着较大的变率,对总的温度倾向的变率均有较大的贡献,且二者之间为相互补偿的反相关关系;在高纬对流层的中上层,总的温度倾向的变化主要依赖于动力框架的贡献,物理过程造成的倾向变化很缓慢,可近似地看做定常的强迫,且物理过程产生的温度倾向与动力框架产生的温度倾向之间为正位相的响应关系。此外,还对各个物理参数化方案之间的相互作用及响应关系进行了分析。结果表明,在所有过程中,湿过程所引起的温度倾向的变化最为显著,对总的物理过程倾向的贡献也最大;在高纬地区,长波辐射冷却也有较大的变率;短波辐射加热率及垂直扩散加热率的变化相对较小;长波辐射冷却和短波辐射加热之间为近似负反馈的响应关系。     

数值预报模式动力框架发展的若干问题综述

作者就大气数值模式动力框架发展的几个问题做了回顾和展望.关于模式地形的处理,讨论了"地形追随"(terrain-following)坐标和"台阶地形"(step-mountain)η坐标的优点、问题和对策.关于物理量守恒格式的构造,回顾了从"瞬时"守恒到隐式、显示和半隐式完全(包括时间离散)守恒格式的发展和近况,介绍了加速非线性全隐式问题迭代收敛的途径.还讨论了半拉格朗日守恒格式的构造问题.最后,对目前广泛使用的全球谱模式,讨论了其长处、局限和发展前景,并简单介绍了谱元方法.     

一个以全露点温度为湿度变量的低谱湿模式

(一)1.研究古气候和气候变迁问题的一个有力的途径是实施数值试验。目前,在数值模拟试验中,广泛地使用了大气环流模式(GCM)。对气候平均场和短期气候变化的模拟取得了引人注目的结果。这些显示了 GCM 广泛应用的前景。2.无论是谱展开,还是差分方法,基本方程组都被转化为一个强迫耗散的自治的或非自治的非线性系统。古气候和气候变迁的问题,是气候学的课题。当我们用数值模拟的途径去     

全球和半球谱模式的比较

本文将标准层结扣除下的谱模式用全球、北半球和全球、北半球交替方案对春、夏、秋、冬共5个实例做了5天的预报试验,比较了它们的预报结果,并做了一些理论分析。     

利用多处理机积分全球谱模式的方法

利用垂直正规模,把全球多层原始方程组化成多个浅水波型方程,从而在一个时间步长内,可以使积分的绝大部分工作在多处理机上进行。最后,还给出了计算的流程图。     

GRAPES模式动力框架的长期积分特征

通过考虑动量表面拖曳并利用牛顿松弛方法将温度松弛到纬向对称的温度场, 对GRAPES模式的动力框架进行了长期时间积分试验。通过统计分析其积分结果表明:GRAPES模式的动力框架可以模拟出大气环流的基本特征; 随着分辨率的提高, GRAPES模式动力框架的模拟结果显示出收敛的特性; 虽然GRAPES模式动力框架采用的是能量不守衡的半隐式半拉格朗日时间积分方案, 但长期时间积分试验表明其能量基本保持稳定。这些结果显示使用GRAPES模式动力框架作大气环流和气候研究的大气动力框架是可行的, 同时也为进一步改进GRAPES模式动力框架提供了线索和依据。     

一个准稳态的全球大气电路模式

本文用一个全球大气电导率模式和一个全球大气电路模式,计算了地形、大气气溶胶及太阳活动对大气电参量的影响,并估算了它们对地面电流密度和电场的分布影响。结果表明:地形的存在使电离层电势增加,雷暴分布的改变对大气电参量平均值无影响;气溶胶浓度与电离层电势及晴天电阻成正相关。宇宙射线与电离层电势及气—地电流成正相关;气溶胶浓度和宇宙射线的变化也会影响到晴天区电场以及雷暴区地面电流密度和电场;太阳质子流的注入使全球地面电场和电流密度增大,电离层电势不变。     

一个耦合了简化生物圈方案的全球大气环流谱模式及其性能测试

在美国ＮＭＣ ＡＧＣＭ模式的基础上，参照ＣＯＬＡ低分辨率ＡＧＣＭ模式，移植和改进了一个包括植被层陆面过程的陆－气耦合全球大气环流谱模式。其水平分辨率为菱形截断１５波，垂直方向分为９层，陆面过程采用简化的简单生物圈模式。     

一个全球七层大气环流谱模式及其30天长期数值天气预报试验

本模式是原北半球七层原始方程谱模式的发展,它包含了较完整的物理过程。模式的方程组求解方案能有效地克服在散度方程中以及在σ坐标系中在大地形附近计算气压梯度力项时所存在的大量之间小差的问题,模式的非线性项的谱计算方法有其优越性。本文给出了利用本模式以及用实际观测资料的客观分析场为初始场作30天长期数值天气预报试验结果。从多个个例的结果可以看出,模式的预报效果令人满意,在整个30天内,模式的预报误差都比对应的持续性误差小,而且在低纬地区也具有上述特点。这表明,本文提出的全球七层大气环流谱模式具有30天长期数值预报能力。     

任意正交曲线坐标系下的海洋模式动力框架的发展与评估

本文发展了一个可以适用于任意水平正交曲线坐标系的海洋模式动力框架,并将其应用于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统海洋模式LICOM2.0（LASG/IAP Climate system Ocean Model,version2.0）。在经纬网格坐标系下,新的动力框架与LICOM2.0原有的动力框架模拟结果完全一致。基于新的动力框架,海洋模式可采用能够准确描述北冰洋地形的三极网格,克服了LICOM2.0经纬网格版本必须将北极点处理为孤岛的缺陷,从而显著改进了模式对于北冰洋环流和北大西洋经圈翻转流函数（AMOC）的模拟能力。此外,引进三极网格还可以避免模式网格距随纬度增加而急剧减小带来的计算不稳定,在LICOM2.0的三极网格版本中,模式不需要采用任何空间滤波方案仍然能够保证计算的稳定性,从而与LICOM2.0的经纬网格版本相比,极大地提高了模式的并行效率,这一点在当水平分辨率提高到0.1度时表现得尤为明显,海洋模式的并行加速比可以从经纬网格版本的5.8左右提高到三极网格版本的15.0左右。