中尺度模式中的三维变量配置

由于中尺度模式中采用不同的三维变量配置,必将产生不同的预报和模拟效果.怎样的三维变量分布,才能产生最佳的模拟效果呢?一直没有人从事这方面的研究.为此,在线性非静力滞弹性方程组的基础上,从频率、水平群速和垂直群速方面将中尺度模式中常见的四种三维网格的计算频散性与解析解的情况进行了对比,主要采用图示比较的方法.结果表明:总的来看三维网格C/CP计算频散性能最好,Z/LZ和Z/LY网格次之,C/L网格最差.因此设计非静力斜压模式时,应尽量采用C/CP网格.但C/CP网格对水平波长较短的波,误差相对要大些.如果模拟的波动水平尺度较小时,为减少误差,水平格距要减小.另外C/CP网格主要用在有限差分模式中;要考虑谱模式中的变量配置时,应把C/CP网格和Z/LZ网格或Z/LY网格结合起来使用.     

几种垂直跳点网格计算频散性的比较研究

为证明两种新的垂直跳点网格--LZ网格和LY网格的有效性,从频率、群速和出现错误群速的垂直尺度范围等方面与现有的几种垂直跳点网格和时间--垂直跳点网格进行了比较.结果表明:LZ网格计算频散性与目前使用的最广泛的并且计算频散性也是最佳的CP网格相当,而LY网格次之,从而为模式设计者选取垂直网格提供了又一种选择.     

非静力滞弹性模式中水平分辨率与垂直分辨率的协调性初探

为了理论上研究非静力滞弹性模式中水平分辨率与垂直分辨率之间的搭配问题，以线性斜压滞弹性方程组为出发方程，导出解析的频散方程、水平群速方程和垂直群速方程，同时在最优三维网格C／CP下进行离散，也导出频散方程、水平群速方程和垂直群速方程，然后用图示的方法，比较了在不同的水平和垂直格距下模拟解析解所产生的误差。结果表明：当垂直格距和水平格距相当时，在C／CP网格上对惯性重力波的频率、水平群速和垂直群速都能较好地模拟，产生的相对误差均在5％以下。     

非静力模式中几种垂直网格计算特性的对比研究

从非静力滞弹性方程组出发，将惯性重力波的水平波长分几百公里、几十公里和几公里三种情况，从频率、群速和各速的垂直尺度范围等方面对现有的几种垂直网格进行比较讨论。结果表明：在非静力模式中，CP网格和LZ网格适合于各种不同水平尺度惯性重力波的模拟；L网格和LY网格适合于水平尺度为几十公里以上的惯性重力波的模拟；LTS网格和CPTS网格比较适合于水平尺度的几十公里以下的惯性重力波的模拟。     

垂直变量配置对静力适应过程的影响

为了研究垂直变量配置对静力适应过程的影响,本文从描写静力适应过程的方程组出发,分别在将所有变量置于整层上的非跳点N网格;将垂直速度和温度放置在整层,水平速度、气压和密度等变量放置在半层的Charney Phillips跳点网格(CP网格);将水平速度、气压和温度放置在整层,将垂直速度和密度放置在半层的Lorenz跳点网格(L网格);将密度变量放置在整层的Charney Phillips跳点网格(CP_N网格);将密度放置在整层的Lorenz跳点网格(L_N网格)上进行离散,垂直格距分1 km、0.5 km、0.2 km和0.01 km,研究了在这5种网格上产生的频率和垂直群速的相对误差。结果表明:(1)L_N网格和CP网格是完全等效的两种网格。(2)不论垂直格距为多少,CP网格和L网格的误差都是最小,N网格次之,CP_N网格的误差最大。(3)随着垂直格距的减少,在这几种网格上产生的误差都在减小。对于CP网格、L网格和N网格,在水平长波和垂直短波处产生的误差较大。而CP_N网格对水平波长变化不敏感,垂直波长越短,误差越大。(4)当垂直格距为0.01 km时,这几种网格都对水平波长的变化不敏感了,仅对垂直波长敏感。(5)CP网格、L_N网格和L网格在描写静力适应过程和斜压地转适应过程都是误差最小的垂直变量配置方案,因此在非静力完全可压缩深层大气数值预报模式中应优先选择这3种方案。     

水平网格计算频散性的研究

从线性浅水方程组出发, 在Arakawa A—E网格、Z网格和Eliassen网格上, 分可分辨和不可分辨两种情况, 从频率和群速方面讨论了这7种网格的计算频散性, 并指出了每种网格出现错误群速的水平尺度范围。结果表明:在可分辨的情况下, Z、C和Eliassen网格较其它网格效果好; 在不可分辨的情况下, B网格较其它网格效果好。     

静力模式中水平分辨率与垂直分辨率的协调性问题

本文将线性斜压适应方程组在最优三维网格C/CP下进行离散,讨论了不同的水平和垂直格距大小对解析解模拟的影响。结果表明:垂直格距为1 km量级时,水平格距应为100km量级;垂直格距为100 m量级时,水平格距应为10 km量级较好。     

水平网格对Rossby波的影响

文中从描述准地转、β平面近似下的Rossby波方程组出发,在Arakawa A-E网格和Z网格上,分可分辨和不可分辨两种情况,从频率和群速方面讨论了这6种网格的计算频散性。结果表明:在可分辨的惰况下,Z,D,C网格比其它网格对Rossby波产生的歪曲都要小;而在不可分辨的情况下,这6种网格的描述能力都比较差。     

水平变量配置对地转演变模拟的影响

从描述准地转、β-平面近似下的Rossby波方程组出发，在Arakawa A-E网格上，从频率和群速方面讨论了这五种网格的计算频散性。结果表明：D、C网格比其它网格对Rossby波产生的歪曲都要小。     

垂直网格计算频散性的研究

在线性斜压原始方程组的基础上, 从频率和群速方面讨论了几种垂直跳点网格和时间—垂直跳点网格的计算频散性, 并指出了出现错误群速的垂直尺度范围。以便为原始方程大气模式选取垂直网格提供指导。     

THREE-DIMENSIONAL VARIABLES ALLOCATION IN MESOSCALE MODELS

Forecasts and simulations are varied owing to different allocation of 3-dimensional variables in mesoscale models. No attempts have been made to address the issue of optimizing the simulation with a 3-dimensional variables distribution that should come …     

DESIGN OF A THREE-DIMENSIONAL GLOBAL ADIABATIC SPECTRAL PRIMITIVE EQUATION MODEL

A three-dimensional(3D)global adiabatic spectral primitive equation model has beendesigned.The main features are as follows.(1)Adoption of spherical harmonics and Tschebyscheff polynomials as the basis functions inthe horizontal and vertical respectively,but the unknowns in the spectral equations are two-dimensional;(2)Inclusion of the tropopause,which may vary with time and space;(3)Suggestion of a spectral method for representing the vertical structure of the atmosphereapplicable to the unsmoothed profile case;(4)In consideration of nonlinear vertical aliasing a technique is proposed to avoid it andnonlinear computational instability.Based on real data forecasts up to 48 hours have been performed.The results show that thestatistical verifications with the model are superior on the average to those with the T42L9 usedoperationally before 1995 at NMC of China at the same mean resolution.     

DESIGN OF A THREE-DIMENSIONAL GLOBAL ADIABATIC SPECTRAL PRIMITIVE EQUATION MODEL*

A three-dimensional(3D) global adiabatic spectral primitive equation model has been designed.The main features are as follows.(1) Adoption of spherical harmonics and Tschebyscheff polynomials as the basis functions in the horizontal and vertical respectively,but the unknowns in the spectral equations are two-dimensional;(2) Inclusion of the tropopause,which may vary with time and space;(3) Suggestion of a spectral method for representing the vertical structure of the atmosphere applicable to the unsmoothed profile case;(4) In consideration of nonlinear vertical aliasing a technique is proposed to avoid it and nonlinear computational instability.Based on real data forecasts up to 48 hours have been performed.The results show that the statistical verifications with the model are superior on the average to those with the T42L9 used operationally before 1995 at NMC of China at the same mean resolution.