GRAPES模式中高精度正定保形物质平流方案的研究Ⅱ：连续实际预报试验

针对半隐式半拉格朗日数值预报模式GRAPES,研究发展了与之相适合的高精度正定保形的物质平流方案--分段有理函数法(PRM,Piecewise Rational Method).文中在进行理想试验验证该方案简单、实用、易于编程对于空间变化幅度大的物理量具有较高的平流计算能力且在GRAPES模式中具有可行性的基础上,对2005年7月连续1个月的24小时降水进行实际预报试验.通过细致的个例分析、月平均比较以及TS评分计算,PRM方案实际预报结果与GRAPES模式中原来采用的水物质平流方案预报的主要雨带的分布、走向相一致,但对大雨以上量级的降水预报具有明显优势,对网格尺度的降水的影响比较敏感,进一步验证了高精度正定保形方案对实际降水预报的改进效果,表明该方案对于改进GRAPES模式大到暴雨预报能力具有较大的潜力.PRM平流方案较GRAPES原来采用的准单调正定保形的平流方案能够更加合理地计算水物质场的输送,尤其是能够很好地反映出梅雨季东亚大气下层水汽水平梯度大以及沿梅雨锋水汽的小尺度变率较大的特点描写.     

GRAPES_GFS中三维参考大气的研究:理论设计和理想试验

参考大气的选取对于半隐式半拉格朗日（Semi-Implicit Semi-Lagrangian,简称SISL）模式动力框架的计算精度至关重要。中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES_GFS（Global Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System）采用基于等温大气构造的一维参考大气,该方法求解简单、易于实现,但无量纲气压和位势温度扰动量的数量级较大,降低空间计算精度的同时,由于非线性项较大,使得时间计算精度较低。借鉴近年来世界上各主要业务中心的数值模式框架搭建方法,拟在GRAPES_GFS的动力框架中引入不随时间变化且满足静力平衡的三维参考大气,使得积分过程中参考大气可以尽量地靠近模式大气,提高空间计算精度的同时,减小非线性项的数量级,进而提高时间积分的计算精度。本研究重新推导了引入三维参考大气之后模式动力学方程组的求解过程,通过若干个理想试验验证了理论方法以及代码实现的正确性,说明新的三维参考大气可以有效地提高模式动力框架的计算精度。      

质量守恒的订正算法在GRAPES_GFS中的应用

如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说, 在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难,质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 在长时间积分过程中质量损失问题较为明显,该研究工作借鉴C-CAM (Climate-Community Atmosphere Model) 中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路,在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验,验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性,在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差,缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题,在实际业务预报中有一定应用价值。     

相变修正方案在GRAPES模式标量平流中的应用

如何更好地模拟水物质的空间分布和小尺度变化,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义.计算机的飞速发展使数值模式的分辨率不断提高,云的显式计算成为可能,这样就要求水物质在平流的过程中必须要做到高精度、守恒、保形.水物质场是正定标量的场,具有空间和时间变化幅度大、存在强梯度甚至不连续的特点,水物质场的合理模拟一直是数值预报中的一个难题.GRAPES模式中的标量平流方案采用PRM分段有理函数方法,比较好地解决了该半拉格朗日模式中水物质平流的高精度、守恒、保形问题,但是当有凝结潜热发生时,由于半拉格朗日平流方案求解上游点时的插值,在云边缘区域会造成虚假的云水,进而导致不合理的相变过程.为了解决以上问题,本研究在GRAPES模式中PRM平流方案的案础上,加入了非线性半拉格朗日相变潜热的修正方案,旨在改进GRAPES模式对水物质平流问题的模拟,提高降水的预报效果.该研究通过理想试验,验证了非线性半拉格朗口相变修正方案可以有效地限制云边缘由于半拉格朗日平流方案插值产生的虚假柑变;然后将该方案加入GRAPES模式的PRM水物质平流方案中,通过实际个例模拟验证了加入非线性半拉格朗日方案以后,模式可以更好地模拟水物质的平流过程,且对云中热力场及水物质分布地模拟更加合理,同时预报出的雨带中心区与实况更加符合.     

浅水波模式半拉格朗日方法的并行研究

该文研究的问题是分布式并行计算机消息传递方式下半拉格朗日并行算法, 重点研究二维浅水波并行模式中有关子区域过渡带(HALO)的问题和有关求解赫姆霍兹方程的并行算法。进行了一系列的对比试验, 研究在不同分辨率下模式的并行效率的问题。结果表明:采用分区域并行计算的方法, 可得到较好的并行效率。模式中使用半拉格朗日方法处理平流项是有利的, 在分辨率高时, 可有效地提高计算速度。     

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.     

全球非静力半隐式半拉格朗日模式及其极区离散处理

全球有限区同化预报系统GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)中的全球模式是新研发的新一代全球非静力数值预报模式, 该模式将作为中国气象局下一代全球中期数值预报的业务模式. 模式动力框架的特点包括采用全可压方程组、非静力/静力可选、半隐式半拉格朗日大时间步长、利用预条件求解复杂的三维亥姆赫兹(Helmholtz)椭圆型方程等. 针对极地奇异性的特点, 介绍了GRAPES全球模式在极地的离散处理方案, 包括采用水平风分量v放在极地的Arakawa C网格, 引入极地滤波解决极地数值计算的稳定性, 近极地Helmholtz方程的订正, 及为提高球坐标系下拉格朗日上游点计算精度的处理等. 平衡流理想场试验表明, 模式对极地半拉格朗日上游点及极地的处理是正确的; Held 和 Suarez试验表明模式可保证长期时间积分的守恒特性.     

用改进的光流法和卫星TBB资料进行对流临近预报

为了在缺少雷达观测的地区开展对流临近预报,利用光流法和半拉格朗日外推法进行了卫星云图外推实验,同时利用无辐散约束改进光流矢量来避免云图辐散失真。(1) 光流法反演的风场能够准确反映出台风涡旋环流结构,采用半拉格朗日方案进行外推,可以保持云系的旋转特性,具有良好的稳定性和精度,但随着外推时间的增加光流矢量中的噪声会导致云图辐散失真。(2) 无辐散约束减少了风矢量杂乱无序现象,弥补了缺失的光流,还能对风速进行平滑,使风速空间梯度更平滑。(3) 用改进后的风场进行外推,避免了云系辐散失真,在保持其形态不被破坏的同时,还能减少云团TBB虚假增长。(4) 检验表明改进后的外推预报方案,具有更小的平均绝对误差,MAE提高了4%,临界成功指数提升了9%。     

基于新型LE水平跳点网格的阴阳网格平流方案设计

为了模拟球面平流传输过程,本文基于球面阴阳重叠网格设计了一种两时间层半拉格朗日平流方案.该方案在球面坐标下采用新型的LE水平跳点网格,同时针对阴阳网格重叠区,采用了不同插值方法进行比较分析,且进行了相关的理想数值试验对方案设计效果进行评估.数值试验表明方案设计是成功的,阴阳网格重叠区平流对插值方案比较敏感;半拉格朗日方案能较好地模拟球面刚体平流和变形涡旋的结构、位置及演变过程,并具有较好的数值稳定性和较高的数值精度.     

GRAPES模式中高精度正定保形物质平流方案的研究Ⅰ:理论方案设计与理想试验

平流计算的精度对数值模式的结果有着重要影响.如何在半拉格朗日模式中发展高阶精度的标量平流计算方案是提高半拉格朗日数值模式精度的重要问题.文中采用计算流体力学中一个新的高精度正定保形的物质平流方案,通过映射单元格方法将其与半拉格朗日模式结合起来,既保留了半拉格朗日时间积分方案中积分时间步长大、计算效率高的特点,又发挥新方...