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全隐式六层原始方程的数值试验 总被引：2，自引：0，他引：2
本文应用一个π面坐标六层全隐式原始方程非线性迭代求解模式进行了数值试验,取得了初步结果. 为了考验该模式的稳定性,设计了一种简单的理想场在该模式上进行计算,取得了五天稳定的结果.并且用实例计算,取得了48小时的预报结果.所预报的结果并不紊乱,并且能很好地反映实际天气形势演变过程. 由于本模式中所使用迭代法求解计算量太大,为了节省计算时间,将该模式恢复为平流格式,并应用分离解法求解.应用上述的理想场及实际场作试验,结果表明计算量可节省一半. 应用以上模式对不同实例进行计算,其结果说明无论是稳定的天气形势,或是发展的天气形势都能很好地预报出来. 相似文献
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数值预报模式动力框架发展的若干问题综述 总被引：14，自引：3，他引：11
作者就大气数值模式动力框架发展的几个问题做了回顾和展望.关于模式地形的处理,讨论了"地形追随"(terrain-following)坐标和"台阶地形"(step-mountain)η坐标的优点、问题和对策.关于物理量守恒格式的构造,回顾了从"瞬时"守恒到隐式、显示和半隐式完全(包括时间离散)守恒格式的发展和近况,介绍了加速非线性全隐式问题迭代收敛的途径.还讨论了半拉格朗日守恒格式的构造问题.最后,对目前广泛使用的全球谱模式,讨论了其长处、局限和发展前景,并简单介绍了谱元方法. 相似文献
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在原始方程模式的显式积分中,为使高频重力波保持计算稳定性,时间步长必须取得很小以满足CFL稳定性判据。半隐式积分方案较之显式积分可以使用较大的时间步长,因而提高了计算效率。但是,与半隐式方案相伴随的是要解一Helmholtz方程,这个方程的求解在积分过程中占有相当比重,这一点在差分模式中尤其明显。因此,消除Helmholtz方程是进一步提高时间积分效率的一个重要方面。 相似文献
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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 总被引：8，自引：1，他引：8
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 相似文献
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由加拿大大气环境局数值预报研究所和魁北克大学蒙特利尔分校共同开发研制的一个新的中小尺度数值模式ＭＣ２于１９９４年初定版后已提供给一些大学和科研单位公众使用。由于采用半拉格朗日半隐式差分格式，ＭＣ２在计算精度，快波处理和预报时效等方面具有其它中小尺度模式不可比拟的优点。 相似文献
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GRAPES模式中三维科氏力计算及其效果评估 总被引：1，自引：0，他引：1
作为一种连续可压缩流体,大气具有分层流体特性,其状态变化可由牛顿第二定律、热力学第一定律、连续方程和理想大气状态方程组成的偏微分方程组描述。为了更加精细地描述GRAPES全球模式的动力过程,使模式大气更接近真实大气,在全球非静力模式GRAPES中考虑三维科氏力作用,通过重新构建半隐式半拉格朗日求解大气动力方程组的亥姆霍兹方程系数,在不改变求解方案的前提下实现对GRAPES模式动力过程的更新。然后采用在静力平衡基础上建立的三维大气理想试验对新的动力过程进行数值试验,检验其计算效果和数值稳定性。结果显示,考虑三维科氏力的模式动力框架计算稳定,提高了三维标量和矢量场的计算精度,在水平1°×1°分辨率模式中,平衡流试验第15天计算结果标量场Π'的l1和l2误差分别为0.00023和0.0004,而三维矢量场 V 的l1和l2误差分别为0.002和0.003,均较原模式误差小一个数量级。在罗斯贝-豪威兹波、地形罗斯贝波和斜压波试验中,新框架均表现出很高的计算稳定性和良好的计算效果。 相似文献
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AN IMPROVED SEMI-IMPLICIT TIME DIFFERENCE SCHEME OF SPECTRAL MODEL AND NUMERICAL APPLICATIONS 总被引：1，自引：0，他引：1
In fact,the popular semi-implicit time difference scheme of spectral model still includes someimportant linear terms using time explicit difference scheme,and the major terms are directlyrelated to fast internal-and external-gravity waves in the atmospheric forecasting equation.Additionally,due to using time difference on two terms at different time.the popular schemeartificially introduces unbalance between pressure gradient force and Coriolis force terms whilenumerically computing their small difference between large quantities.According to thecomputational stability analysis conducted to the linear term time difference scheme in simpleharmonic motion equation,one improved semi-implicit time difference scheme is also designed inour study.By adopting a kind of revised time-explicit-difference scheme to these linear terms thatstill included in spectral model governing equations,the defect of spectral model which only partlyusing semi-implicit integrating scheme can be overcome effectively.Moreover,besides all spectralcoefficients of prognostic equations,especially of Helmholtz divergence equation,can be workedout without any numerical iteration,the time-step (computation stability) can also be enlarged(enhanced) by properly introducing an adjustable coefficient. 相似文献
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AN IMPROVED SEMI-IMPLICIT TIME DIFFERENCE SCHEME OF SPECTRAL MODEL AND NUMERICAL APPLICATIONS* 
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下载免费PDF全文 In fact,the popular semi-implicit time difference scheme of spectral model still includes some important linear terms using time explicit difference scheme,and the major terms are directly related to fast internal-and external-gravity waves in the atmospheric forecasting equation.Additionally,due to using time difference on two terms at different time.the popular schemear tificially introduces unbalance between pressure gradient force and Coriolis force terms while numerically computing their small difference between large quantities.According to the computational stability analysis conducted to the linear term time difference scheme in simple harmonic motion equation,one improved semi-implicit time difference scheme is also designed in our study.By adopting a kind of revised time-explicit-difference scheme to these linear terms that still included in spectral model governing equations,the defect of spectral model which only partlyusing semi-implicit integrating scheme can be overcome effectively.Moreover,besides all spectral coefficients of prognostic equations,especially of Helmholtz divergence equation,can be worked out without any numerical iteration,the time-step (computation stability) can also be enlarged (enhanced) by properly introducing an adjustable coefficient. 相似文献
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为提高数值求解大气方程的速度, 研究了预处理JFNK（Jacobian-Free Newton-Krylov）方法及其在大气方程中的应用。这是一种非线性外循环Newton迭代与线性内循环Krylobv迭代相结合的快速算法,其优点是进行外循环Newton迭代时不要求Jacobian矩阵的形成和存储;它的有效性取决于内循环中线性系统的预处理。首先介绍了JFNK算法,然后以浅水波方程为例,描述了非线性残值的形成、预处理矩阵的构造及其在JFNK算法中的应用。试验结果表明：对内循环线性系统进行适当的预处理,能大幅度提高JFNK算法的运算速度。因而,JFNK是一种值得在大气方程中推广应用的方法。 相似文献
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XUE Jishan 《大气科学进展》2004,21(3):467-474
The recent progresses in the research and development of (NWP) in China are reviewed in this paper. The most impressive achievements are the development of direct assimilation of satellite irradiances with a 3DVAR (three-dimentional variational) data assimilation system and a non-hydrostatic model with a semi-Lagrangian semi-implicit scheme. Progresses have also been made in model physics and model application to precipitation and environmental forecasts. Some scientific issues of great importance for further development are discussed. 相似文献
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B. W. Golding 《Meteorology and Atmospheric Physics》1992,50(1-3):89-103
Summary A semi-implicit non-hydrostatic mesoscale forescasting model, which is used operationally in the United Kingdom Meteorological Office, has been reformulated using two time levels and semi-Lagrangian advection so as to permit longer timesteps. The boundaries are found to be an important influence on the model's stability and two methods of suppressing wave reflection are described with the aid of a one-dimensional experiment. The model's responses to two dimensional flow over a ridge and to three-dimensional flow over an isolated mountain are then demonstrated. The reformulated model is more efficient than the original provided a timestep at least twice as long can be used. It is also superior both in having minimal damping (except at the boundaries), and in the accuracy of the advection scheme. 相似文献
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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。 相似文献
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蛙跳格式的替代方案及其在大气环流模式中的应用 总被引：3，自引：0，他引：3
蛙跳（Leapfrog）时间差分格式采用AsselinRobert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Runge-Kutta格式构造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影响,更大程度保持方程组的计算准确性。作者基于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Runge-Kutta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。通过斜压波实验比较不同格式在保持初值稳定性上的表现,从而发现,二阶Runge-Kutta方案能够更好的保证方案的初值稳定性。同时在纬向对称平衡场中加入扰动的情况下,二阶Runge-Kutta方案模拟的斜压波动发展演变的特征具有良好的收敛性,对波动发展的描述能力更强。存在这种优势的可能原因可归结为格式自身的优势和摆脱了时间滤波的负面影响,通过加入不同滤波系数的比较实验可以看到,滤波的平滑作用对模式结果的影响显著,但格式自身的优势也是改进模拟结果的主要因素。通过非绝热条件下20 年（1980～1999年）气候态全模式模拟考察模式在气候模拟中的表现,结果表明,此方案在长期的气候模拟中同样可降低预报变量及诊断变量的模拟误差,具有更好的模拟能力。 相似文献
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A 3D dynamic core of the non-hydrostatic model GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System) is developed on the Yin-Yang grid to address the polar problem and to enhance the computational efficiency. Three-dimensional Coriolis forcing is introduced to the new core, and full representation of the Coriolis forcing makes it straightforward to share code between the Yin and Yang subdomains. Similar to that in the original GRAPES model, a semi-implicit semi-Lagrangian scheme is adopted for temporal integration and advection with additional arrangement for cross-boundary transport. Under a non-centered second-order temporal and spatial discretization, the dry nonhydrostatic frame is summarized as the solution of an elliptical problem. The resulting Helmholtz equation is solved with the Generalized Conjugate Residual solver in cooperation with the classic Schwarz method. Even though the coefficients of the equation are quite different from those in the original model, the computational procedure of the new core is just the same. The bi-cubic Lagrangian interpolation serves to provide Dirichlet-type boundary conditions with data transfer between the subdomains. The dry core is evaluated with several benchmark test cases, and all the tests display reasonable numerical stability and computing performance. Persistency of the balanced flow and development of both the mountain-induced Rossby wave and Rossby–Haurwitz wave confirms the appropriate installation of the 3D Coriolis terms in the semi-implicit semi-Lagrangian dynamic core on the Yin-Yang grid. 相似文献
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一类计算性系统误差消除与斜压原始方程天气气候模式改进 总被引：1，自引：0，他引：1
斜压原始方程半隐式全能量守恒格式的构造问题长期没有解决。本研究在成功地构造实现其全能量完全守恒的半隐式方案基础上，进行了此守恒方案与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的σ－坐标原始方程全球谱模式半隐式方案间的实际资料对比实验。实验表明，850hPa平均预报高度场RMS误差在积分一周以后得到明显改进，到第30天其预报误差降低达到了50％，进一步的对比实验表明，对流层中部和下部的月预报平均高度场RMS误差也显降低，而且一些明显的系统性误差也得到大幅度改进。更加详细的分析显示，这些收益的很大一部分是从超长波成分的改进中得到的。这说明，通过构造守恒性时间差分方案消除了响应的计算性系统误差源汇，进而能够使模式气候漂移得到显改进，而这种误差源汇存在于传统的，现仍被普遍采用的斜压原始方程天气气候模式中。 相似文献