青年科学家论坛第56次活动——研讨大气科学若干前沿热点问题

中国科协主办的青年科学家第 56次活动以“大气科学若干前沿问题”为主题 ,于是 1 999年 1 2月3— 4日在北京中国科协科技会堂举行。中国科学院大气物理研究所钟青研究员、国家气候中心李维京研究员、中国科学院大气物理研究所王会军研究员、南京大学大气科学系谈哲敏教授担任本次活动的执行主席。来自中国科学院、中国气象局、高等院校、有关军事部门、香港特别行政区和美国的共 36位青年专家、学者参加了这次活动 ,中国科协书记处书记常志海出席会议并作了重要讲话 ,出席会议的还有中国科协学会部副部长、“青年科学家论坛”秘书长周济、…     

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。该项全能量守恒半隐式全球谱模式方案适用于实测资料的长时间数值预报积分。使用ＦＧＧＥ夏季资料进行的１３个个例３０ｄ数值积分实验表明：新型全能量半隐式保真方案可以有效地改进传统预报方案中关于能量质量守恒性质的系统性偏差。值得注意的是，实验统计分析还显示：在本文实验条件下，传统方案中由于时间离散过程中原物理守恒律性质破坏导致的系统误差（简称Ｚ类误差），对于实验总体均方根系统误差的贡献     

长波物理机制经典论断新探

本文通过对经典罗斯贝长波理论,斜压大气环流实验室模拟研究成果的重新归纳与分析,以及相应于上述理论和实验系统的简化数学物理模型的分析与比较,揭示出在大尺度旋转斜压自由流体系统中,β效应的存在与否,虽然可以修正波动的性质,但不影响波解结构与波动振幅演变方程的同构性质;发现β效应也不足以解释冬3夏4天气事实,而且也不足以描写冬夏波型转换机理;同时还发现在均匀旋转斜压流体系统中,存在一个可以解释冬夏波型现象的斜压非线性波长波型确定与转换机制. 本工作建议,关于大气长波本质上就是罗斯贝波,形成大气长波的物理机制是β效应的经典论断,有必要重新考察.本文认为,形成大气长波的物理机制是与地球大气南北温差相关联的斜压非线性效应.     

THE FORMULATION OF FIDELITY SCHEMES OF PHYSICAL CONSERVATION LAWS AND IMPROVEMENTS ON A TRADITIONAL SPECTRAL MODEL OF BAROCLINIC PRIMITIVE EQUATIONS FOR NUMERICAL PREDICTION

In this paper,two formulation theorems of time-difference fidelity schemes for generalquadratic and cubic physical conservation laws are respectively constructed and proved,with earliermajor conserving time-discretized schemes given as special cases.These two theorems can providenew mathematical basis for solving basic formulation problems of more types of conservative time-discrete fidelity schemes,and even for formulating conservative temporal-spatial discrete fidelityschemes by combining existing instantly conserving space-discretized schemes.Besides.the twotheorems can also solve two large categories of problems about linear and nonlinear computationalinstability.The traditional global spectral-vertical finite-difference semi-implicit model for baroclinicprimitive equations is currently used in many countries in the world for operational weatherforecast and numerical simulations of general circulation.The present work,however,based onTheorem 2 formulated in this paper,develops and realizes a high-order total energy conservingsemi-implicit time-difference fidelity scheme for global spectral-vertical finite-difference model ofbaroclinic primitive equations.Prior to this,such a basic formulation problem remains unsolved forlong,whether in terms of theory or practice.The total energy conserving semi-implicit schemeformulated here is applicable to real data long-term numerical integration.The experiment of thirteen FGGE data 30-day numerical integration indicates that the newtype of total energy conserving semi-implicit fidelity scheme can surely modify the systematicdeviation of energy and mass conserving of the traditional scheme.It should be particularly notedthat,under the experiment conditions of the present work,the systematic errors induced by theviolation of physical laws of conservation in the time-discretized process regarding the traditionalscheme designs(called type Z errors for short)can contribute up to one-third of the totalsystematic root-mean-square(RMS)error at the end of second week of the integration and exceedone half of the total amount four weeks afterwards.In contrast,by realizing a total energyconserving semi-implicit fidelity scheme and thereby eliminating corresponding type Z errors,roughly an average of one-fourth of the RMS errors in the traditional forecast cases can be reducedat the end of second week of the integration,and averagely more than one-third reduced at integraltime of four weeks afterwards.In addition,experiment results also reveal that,in a sense,theeffects of type Z errors are no less great than that of the real topographic forcing of the model.The prospects of the new type of total energy conserving fidelity schemes are very encouraging.     

阅读：世间最美丽的风景

现代诗人卞之琳在上世纪30代写了一首长诗,改来改去不满意,最后长诗不要了,截取其中一段．就成了中国现代文学史上很有名的意蕴丰富而又朦胧的短诗《断章》．只有这么四句：     

阅读:世间最美丽的风景

现代诗人卞之琳在上世纪30代写了一首长诗,改来改去不满意,最后长诗不要了,截取其中一段,就成了中国现代文学史上很有名的意蕴丰富而又朦胧的短诗<断章>,只有这么四句: 你在桥上看风景,看风景的人在楼上看你.明月装饰了你的窗子,你装饰了别人的梦.     

边界层参数化对“雅安天漏” 降水数值模拟的影响

选取了2001年7月3个"雅安天漏"个例,采用非静力中尺度数值模式MM5V3进行模拟,着重研究了MRF边界层参数化方案对雨量中心强度和雨区分布的影响,结果发现MRF方案的总体预报效果较好,并能很好地刻画雅安暴雨时的纬向垂直环流结构;在复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用非常重要.     

对多普勒雷达集合交叉相关外推技术的构造与实例检验

本文构造了集合的线性交叉相关方法,对多普勒雷达回波进行外推。因为线性交叉相关算法仅根据两个时次的回波外推下一时次的回波分布,且对于单个外推回波单元是线性变化的;而基于集合的线性交叉相关方法,考虑了多时刻回波的演变过程、回波的移向和移速以及回波在移动过程中的形变,都具有非线性特征,与实际情况更为符合。本文利用集合的线性交叉相关方法和最小二乘拟合方法分别对两次暴雨过程进行回波外推,通过比较发现,利用集合交叉相关外推方法所推得的回波分布与实况更为接近;利用Z-I关系,进一步分析了基于集合交叉相关外推方法的降水评分。与最小二乘拟合方法外推相比,集合交叉相关外推技术所得的回波移动位置与实况较为一致,且1小时累积降水预报效果也较好,因此集合交叉相关外推技术在临近预报中具有一定的应用价值。     

二阶Adams-Bashforth格式的垂直敏感性分析

蛙跳(leapfrog)时间差分格式采用Asselin-Robert时间滤波方案去除计算解能够降低原始方程组的时间差分格式的计算精度,采用二阶Adams-Bashforth格式构造的欧拉前差方案可弥补蛙跳格式的不足,即:在不存在计算解的条件下去除滤波的影响,更大程度的保持方程组的计算准确性。本文基于NCAR CAM3.0(Community Atmosphere Model 3.0)完善的软件平台,将原模式的三时间层蛙跳时间差分方案修改为两时间层二阶Adams-Bashforth时间差分格式,对与重力波有关项使用中央差隐式处理,以此构建半隐式大气环流谱模式。利用动力检验的方法探讨模式对垂直分辨率的敏感性,从而寻找模式在较小计算代价下提高计算效果的可能。通过斜压波实验发现,提高垂直分辨率使模式具有更强的斜压波模拟能力,其模拟效果甚至已经与提高水平分辨率的效果相当,可以作为一种弥补模式运算效率不足的可行方案。     

“05.4.8”四川冰雹个例定量降水的预报技巧研究

从集合预报的角度研究了"05.4.8"四川冰雹个例的定量降水的预报技巧随水平尺度以及地形的变化。初步结论为当水平尺度小于100km时,预报技巧随着水平尺度的增加而迅速增加,当水平尺度达到200km及以上时,预报技巧增加地非常缓慢,基本维持不变;在不同的地理位置,预报技巧的差别很大。总体而言,预报技巧在山地要较平原地区来得高。