数值模式中的回溯时间积分格式

在对微分方程初值问题的数值计算中 ,当采用前向或后向差分格式时有两个时间层次 ,而当用中央差分格式时则有 3个时间层次 .由于把预报问题提为初值问题 ,因此只有一个初始场的信息被利用 .本文从扩展信息源的角度出发 ,对微分方程的时间积分提出了一种新格式——回溯时间积分格式 ,并对在大气、海洋、水文等常用的平流方程进行了实例计算 .制约动力系统的微分方程可以写为 : u/ t=F ( u,t) ( 1 )其中 ,u为状态变量 ,F为除局地变化项外的所有项 ,称为源函数 ,设时间间隔为△ t,式 ( 1 )的时间中央差格式为 :u( t △ t) =u( t-△ t) 2△ t…     

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:     

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。     

省时显式积分方案在有限区数值预报模式中的应用

本文作了有限区数值预报模式显式和省时显式时间积分方案的对比试验。对于冬季和夏季两个个例的计算结果表明，采用省时显式方案能大大提高计算效率，同时保持几乎和显式方案同样的预报结果。此外还讨论了省时显式方案中的侧边界处理方法。     

自忆谱模式制作中期天气预报的试验

基于大气自忆性观点, 引进记忆函数, 可构造一个差分-积分方程; 称之为自忆性方程; 给出了此方程的球谐表达式及其离散计算公式.以T42L9谱模式为动力核, 建立了一个全球自忆T42谱模式 (SMT42).用实际资料进行了逐日至15天积分试验计算, 表明对于500 hPa中期数值天气预报, SMT42比T42的均方根误差小得多, 同时SMT42对距平相关系数也有所提高, 这为中期数值天气预报提供了一种有潜力的新途径.     

显式自由表面模型时间分裂格式的一个积分方案

讨论了有关显式自由表面模型的时间分裂格式中的分裂误差。在传统的积分方案中，由于采用蛙跳格式，斜压动量方程具有三层的时间离散结构，但是，正压动量方程在相应的时间层上只有二层的离散结构。因此，正压方程与斜压方程的时间离散结构是不相容的。分析结果表明，这是导致分裂误差的原因。本提出一种能保持时间离散结构相容的正压和斜压方程的时间积分方案。该积分方案的分裂误差很小因此特别适合于需要长期积分的气候研究。该方案在北太平洋的一个自由表面模型中得到了应用。     

谱模式中半隐式时间积分格式稳定性的试验和分析

本文研究了具有参考大气的谱模式半隐式时间差分格式的计算稳定性问题.通过试验与分析,找到了影响这种半隐式格式计算稳定性的关键因子.另外本文还进一步试验了第一作者过去提出的修改的半隐式时间差分格式,这种格式采用了修改半隐式项而不改变重力波性状的做法.取得了稳定的计算结果.     

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。     

卫星云图的格式转换

通过程序将GMS云图（PIL格式）转换为TGA格式，并叠加上底图，以便在电视天气预报中显示高质量的云图。     

浅水波方程在全球上的变时间步长积分

本文讨论了浅水波方程在全球上的变时间步长(以下简称变步长)积分。并讨论了两步Lax-Wendroff的变时间步长(以下简称TLW变步长)积分,发现积分结果对平滑系数κ很敏感,必须选择合适。井将常数时间步长(以下简称定步长)的积分结果和两种变步长的积分结果进行比较。发现用实际资料作预报,变步长法的预报均方根误差比定步长法的小。还发现变步长的24小时预报对近极地系统移动偏慢的问题比定步长的有较大的改善。变步长积分的计算稳定性也优于定步长。     

GRAPES全球模式MPI与OpenMP混合并行方案

随着多核计算技术的发展,基于多核处理器的集群系统逐渐成为主流架构。为适应这种既有分布式又有共享内存的硬件体系架构,使用MPI与OpenMP混合编程模型,可以实现节点间和节点内两级并行,利用消息传递与共享并行处理两种编程方式,MPI用于节点间通信,OpenMP用于节点内并行计算。该文采用MPI与OpenMP混合并行模型,使用区域分解并行和循环并行两种方法,对GRAPES全球模式进行MPI与OpenMP混合并行方案设计和优化。试验结果表明:MPI与OpenMP混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度,在计算核数相同的情况下,4个线程内的MPI与OpenMP混合并行方案比单一MPI方案效果好,但在线程数量大于4时,并行效果显著下降。     

用车贝雪夫多项式做时间序列预报的一种改进方案

为提高预报准确率，本文对作者以前提出的时间序列预报方法，提出了一种改进方案。这一方案的要点是:1）在计算理想初值的预报时，针对不同情况选择不同的迭代次数；2）在通过迭代终值计算预报时，对不同情况使用不同的拟合误差平均值；3）当拟合误差的符号难以确定时，直接取迭代终值作为预报值。实例计算表明， 新的方案有利于提高预报准确率。     

误差扣除法在云南中尺度数值模式中对气压梯度力的计算试验

使用云南中尺度数值预报试验模式^[1]，引入实际地形，选用静力扣除格式、回插格式、局地等温格式、经典修正格式以及模式中原计算格式（Corby格式）等5种计算格式计算气压梯度力，对气压梯度力的误差和扣除法进行了模拟试验。比较了这5种格式在有、无误差扣除时的模拟结果之后，发现误差扣除法与上述格式结合使用时，均能够不同程度地提高预报效果，尤其是在与经典修正格式结合使用以后，预报效果进一步改善，得到了较满意的模拟效果。     

基于通用图形处理器的GRAPES长波辐射并行方案

随着通用图形处理器 (GPGPU) 计算技术的快速发展,通过大规模增加处理系统的并发度来提升性能成为计算机高性能计算的最新趋势。目前,通用图形处理器已经被应用到科学计算的诸多领域。长波辐射作为GRAPES模式中极为重要的物理过程,其巨大的计算量对整个GRAPES模式的运行效率有重要影响。该文依托NVIDIA公司计算统一设备架构 (CUDA) 技术平台,以GRAPES全球模式中长波辐射传输方案为例,对其进行了大规模并发设计和优化,在保持系统结果一致的前提下,对比单颗高端CPU,Tesla C1060 GPGPU具有11倍的加速效果,明显提升了GRAPES全球模式的执行速度和预报时效。研究表明:使用通用图形处理器技术提升数值预报模式的执行速度非常有潜力。     

IAP AGCM-4动力框架的积分方案及模式检验

以灵活性跳点格式和时间分解算法为重点, 介绍了IAP (中国科学院大气物理研究所) AGCM-4的动力框架, 并用R-H (Rossby-Haurwitz) 波和Held-Suarez方案对框架进行了检验。结果表明: 高纬灵活性跳点格式很好地保持了普通跳点格式的各种性质, 未产生计算紊乱现象, 可在一定程度上增大时间步长, 在未采用滤波处理时增大时间步长的效果更为显著; 时间分解算法, 即将平流过程与适应过程分开计算, 二者都采用3次非线性迭代积分方案, 在N=5和N=10 (N为平流过程时间步长与适应过程时间步长的比值) 的情况下, 可分别节省CPU时间10.7%和19.9%; R－H波检验表明, 在积分的前80天, 框架较好地保持了R－H 4波的波形, 总有效能量仅衰减0.1%, 从第80天开始, 风场波形开始变形和破碎, 对应的动能和总能量也开始急剧衰减, 至第365天, 总有效能量衰减约8%, 此时, 风场和高度场亦变得较平直。经分析, 第80天R－H波破碎的主要原因是平流项的计算误差使R－H波失稳, 而其后的高度场和风场的变平直是典型的旋转适应机制; Held－Suarez方案检验也证明该框架是可靠的。     

上海中尺度数值预报系统暴雨实时预报分析

简要介绍了最新研制的基于神威—Ⅰ超级计算机上的上海中尺度数值天气预报系统，其最高水平分辨率达到3km，并利用该系统对2002年5月29～30日华东地区的暴雨过程进行了实时预报；根据模式输出结果，分析了大尺度环境流场及各物理诊断量，探讨了该暴雨的主要成因；同时对单个站点的要素预报做了对比分析。结果表明：该数值天气预报系统具备了一定的业务运行能力，可为预报员提供较好的参考依据。     

大气环流数值模式的一种并行化方案

从一般计算机并行计算理论出发,结合大气科学模式的特点,总结出一套对数值模式适用的并行化编程方案,而且提出了并行计算过程中应该注意的一些问题.利用文中提到的方案,可以帮助刚开始接触并行计算的模式编程人员快速完成串行数值模式的并行编程.最后,以一个串行的大气环流模式SAMIL并行化编程作为实例,对其并行计算过程和并行计算效率进行了描述和分析.     

雷达-雨量计联合估测区域降水量方法研究Ⅰ——模式集成法的提出

天气雷达估测区域降水量是其应用研究的重要领域,不断研究改进雷达估测区域降水量精度和稳定度是雷达气象工作的重要目标。文章回顾了集合预报理论基础及其发展概况,总结分析集合预报方法、产品表现形式等。对前期雷达估测区域降水量的8种方法,从基本原理和特点等方面进行了系统分析。对该理论在雷达估测区域降水领域的适用性进行了分析,阐述了集合预报理论在该领域应用的概念模型,并提出了两种集成估测区域降水量的新方法,为下一步的应用研究提供了理论支撑。