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1.
将两时间层稳定外插方案(Stable Extrapolation Two-Time-Level Scheme,SETTLS)引入GRAPES区域模式,并将其用于上游点和非线性项的时间外插计算。对线性项采用二阶精度的非中央权重时间平均,并取等温参考大气的温度大于实际大气平均温度,以保证半隐式积分方案的稳定性。原GRAPES时间积分方案对线性项做一阶非中央权重时间平均,对参考大气的选择并无限制,而为保证稳定性,须取较大的非中央权重系数,但非中央权重系数会对低波数波动产生较强的衰减作用。理想试验结果表明,相比原GRAPES半隐式半拉格朗日(SISL)时间积分方案,新SISL时间积分方案计算稳定且对波动的衰减作用较弱。 相似文献
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GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进 总被引：9，自引：2，他引：7
与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。 相似文献
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半隐式半拉格朗日平方守恒计算格式的构造 总被引：11，自引：5，他引：6
在显式半拉格朗日完全平方守恒格式基础上, 构造出半隐式半拉格朗日完全平方守恒计算格式, 它继承了显式半拉格朗日完全平方守恒格式的优点, 并突破计算不稳定柯朗条件对时间步长的约束, 使时间步长大为增长.此外, 还给出这种新的计算格式在一维原始方程上的应用. 相似文献
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把用半拉格朗日方法处理水平平流与用半隐式方法处理重力波动结合起来可以取比半隐式欧拉方法允许的更长的时间步长。这样,时间步长就受对垂直平流作显式处理的稳定性的限制。为了消除这种稳定性约束,我们提出既用于水平平流又用于垂直平流的半拉格朗日平流方案。这方面工作已在加拿大区域有限元天气预报模式中进行,此模式包含了对大多数有关的次网格尺度过程的参数化。模式结果表明,即使取远超过欧拉模式稳定性限制的时间步长,三维半拉格朗日方案仍然可以作出稳定、精确的积分。 相似文献
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半拉格朗日、半隐式欧拉方程组大气数值模式研究 总被引：2，自引：1，他引：1
介绍了一个具有较高时间积分效率的三维弹性大气数值模式。其中,控制方程为能够描述大气非静力及可压缩性的欧拉方程组,时间积分采用了高效率的“半拉格朗日、半隐式”方案。通过引用一个简化的“云物理过程”参数化方案,针对大气中深厚湿对流过程的若干问题进行了数值试验,结果表明,模式能够对该过程中的一些基本和复杂现象进行有效地模拟。试验结果还表明,动力学框架具有很好的稳定性,能够实现高效率的时间积分,它还具有较好的频散特性,保证了空间计算的精度,从而完好地描述了风暴的形态。 相似文献
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GRAPES_GFS中三维参考大气的研究:理论设计和理想试验 总被引：4，自引：0，他引：4
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。 相似文献
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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。 相似文献
8.
基于切线伴随技术计算GRAPES-Meso模式的奇异向量 总被引：4，自引：0，他引：4
集合数值天气预报的关键问题就是如何生成有效的初始扰动。奇异向量反映了初始扰动在大气系统相空间中演变发展的最不稳定方向,基于奇异向量产生的集合样本是模拟概率密度函数的最合理方法。以非静力、半隐式半拉格朗日GRAPES-Meso中尺度数值预报模式为基础,采用Lanczos迭代算法,利用GRAPES-Meso的切线伴随模式计算GRAPES奇异向量。为了检验求得的奇异向量的正确性,提出了两种检验奇异向量正确性的方法:一是比较计算的奇异值的一致性;二是依据特征向量在矩阵变换中的方向不变性意义,验证GRAPES奇异向量空间结构的正确性。最后研究了不同的时间间隔对GRAPES奇异向量的影响,结果表明GRAPES奇异向量在36小时的最优时间间隔误差增长速度最快,这表明在非静力、半隐式半拉格朗日格点模式中利用切线伴随技术计算奇异向量是可行的。 相似文献
9.
完全非内插半拉格朗日格式在一维
Burgers方程及二维浅水波方程上的应用 总被引：3，自引：2，他引：1
在作者过去提出的完全非内插半拉格朗日格式的基础上,针对半拉格朗日格式由于内插带来预报场人为的光滑性问题,进一步发展了这种计算格式,证明了此格式的计算稳定性。为检验这种新的计算格式的性能,在一维和二维问题上进行了应用。在一维问题中采用了一维无粘Burgers方程（方程中有突变点）;二维问题采用了浅水波方程,同时将这些计算结果与Ritchie方案及欧拉方案或一般半拉格朗日内插方案的计算结果进行了比较,发现新格式消除了内插和预报场的人为光滑,并且计算精度有一定程度的提高,这为以后将此格式推广到全球谱模式打下了基础。 相似文献
10.
作者介绍了近年来在数值天气预报领域的一个新动向－变网格一体化模式的进展。这种模式可以替代目前业务数值天气预报的有限区模式和全球谱模式，降低业务数值天气预报的计算成本。网格距离的可变性，以及采用半隐式－半拉格朗日式时间差分方案是该模式的主要特点。法国的变网格一体化模式自１９９２年已投入业务使用，其可行性已得到了预报检验的初步证实。 相似文献
11.
持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程,保持与非线性模式一致是改善四维变分同化(4DVar)分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips(C-P)跳点的边界层参数化方案,而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果,基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案,并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束,在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下,减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明:相较于原方案,新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差,最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明:新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度,减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异,并提高700 hPa位势高度的可预报时效。 相似文献
12.
A monotonic transport algorithm for a high-order time integration scheme is described in this paper. The algorithm is a modified version of an existing high-order time integration scheme, and is tested using a simple one-dimensional pulse and two-dimensional deformational flows. It is found that the new formulation can remove the error, caused by new maxima/minima and excessive smoothing, which occurs in scalar transport using the original extrapolation scheme. The results show that there may be potential for the high-order time integration scheme to be applied in numerical weather prediction models. 相似文献
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To support short-range weather forecast, a high-resolution model (1km) is developed and technicallyupgraded in the South China Regional Center, including the improvement of the 3D reference scheme and predictor-corrector method for Semi-Implicit and Semi-Lagrangian (SISL) in model dynamical core, as well as the improvementof physical parameterization. Furthermore, the multi-process parallel I/O and parallel nudging techniques are developedand have facilitated rapid updating in the assimilation prediction system and fast-output post processing process. Theexperimental results show that the improved 3D reference scheme and upgraded physic schemes can effectively improvethe prediction accuracy and stability with a longer integration time step. The batch test shows that the precipitationforecast performance of 1-km model is significantly better than that of 3-km model. The 1-km model is in operation withrapidly updating cycle at 12-minute intervals, which can be applied to short-range forecast and nowcasting application. 相似文献
14.
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%。 相似文献
15.
为讨论CMA-GFS模式与ECMWF模式对不同要素预报性能的差异,选用2019—2021年500 hPa位势高度、地面气压、地面2 m气温、12 h降水量的4种要素为对象,采用跳跃指数为评价指标,对比分析了不同区域CMA-GFS、ECMWF模式预报的不一致性特征。结果表明：1） 在形势产品（500 hPa位势高度、地面气压）预报方面,两种模式多日平均预报跳跃指数和频率（即预报不一致性）随预报时效的延长而逐渐增大,总体而言CMA-GFS模式预报不一致性比ECMWF模式略显著。2） 在要素产品（地面2 m气温、12 h降水量）预报方面,ECMWF模式预报的跳跃指数、频率都随预报时效的延长而逐渐增大;CMA GFS模式预报的跳跃指数、频率随预报时效的延长出现“两头大、中间小”的变化;CMA-GFS模式预报不一致性比ECMWF模式显著,尤其短预报时效差异更明显。3） 除CMA-GFS模式12 h降水预报外,同一模式相同要素预报区域范围越大预报跳跃指数越小,两者呈反比关系。4） 两种模式的500 hPa位势高度、地面气压、地面2 m气温预报的跳跃指数分布均呈自南向北逐渐增大趋势,而12 h降水量预报的跳跃指数分布呈自北向南逐渐增大趋势,另外12 h降水量预报的跳跃指数分布与特殊地理位置有关。 相似文献
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利用2021年3月—2022年2月ERA5再分析数据云量、云水凝物对中国气象局研发的全球数值预报系统CMA-GFS同期云量产品和由云量、云水凝物产品计算的云发生、云水凝物积分的偏差特征进行诊断评估, 初步探讨了CMA-GFS云预报偏差存在的可能原因。结果显示:CMA-GFS云量、云水凝物的分布较为合理, CMA-GFS能够描绘全球云量、云水凝物的分布特征, 并能够反映季节特征;CMA-GFS预报高云和中云的云量偏差大于低云的云量偏差, 而高云和中云的云量均方根误差较低云偏小, 说明模式高云和中云的预报稳定性优于低云;与ERA5再分析数据相比, CMA-GFS液相水凝物积分以负偏差为主, 冰相水凝物积分以正偏差为主;云量、云水凝物的偏差在不同地区成因不同, 在热带地区的偏差与对流参数化和微物理方案不协调有关, 在南北半球中高纬度地区的偏差与相对湿度偏差相关。 相似文献
17.
18.
Rene Laprise Daniel Caya Michel Giguere Guy Bergeron Hélène Côté Jean‐Pierre Blanchet 《大气与海洋》2013,51(2):119-167
Abstract A þrst climate simulation performed with the novel Canadian Regional Climate Model (CRCM) is presented. The CRCM is based on fully elastic non‐hydrostatic þeld equations, which are solved with an efþcient semi‐implicit semi‐Lagrangian (SISL) marching algorithm, and on the parametrization package of subgrid‐scale physical effects of the second‐generation Canadian Global Climate Model (GCMII). Two 5‐year integrations of the CRCM nested with GCMII simulated data as lateral boundary conditions are made for conditions corresponding to current and doubled CO2 scenarios. For these simulations the CRCM used a grid size of 45 km on a polar‐stereographic projection, 20 scaled‐height levels and a time step of 15 min; the nesting GCMII has a spectral truncation of T32, 10 hybrid‐pressure levels and a time step of 20 min. These simulations serve to document: (1) the suitability of the SISL numerical scheme for regional climate modelling, (2) the use of GCMII physics at much higher resolution than in the nesting model, (3) the ability of the CRCM to add realistic regional‐scale climate information to global model simulations, and (4) the climate of the CRCM compared to that of GCMII under two greenhouse gases (GHG) scenarios. 相似文献
19.
云天地表总辐射和净辐射瞬时值的计算方法 总被引：1，自引：0，他引：1
为减少计算机时,满足实时预报要求,全球数值预报模式中的辐射计算频率通常设定为三小时。这样处理会大大减少计算量,但也同时导致较大辐射日变化偏差,并影响模式对地面能量平衡,对流及降水的模拟。为改进这一缺陷,我们开发了一种辐射快速计算方案,可用于计算瞬时地面太阳总辐射和净辐射,使到达地面的太阳辐射计算可与模式积分同步进行,从而改善地面太阳辐射日变化模拟。本文介绍云天的计算方法。该方案所用的输入变量均为预报模式或卫星观测所能提供的量。结果表明：该方案既可用于数值预报模式也可利用观测资料独立计算地面太阳辐射。经与美国能源部大气辐射观测资料检验,该方案的精度很高,地面总辐射瞬时值的平均计算误差小于7%。 相似文献