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1.
Comparison of different order Adams-Bashforth methods in an atmospheric general circulation model 
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下载免费PDF全文 The Asselin-Robert time filter used in the leapfrog scheme does degrade the accuracy of calculations. As an attractive alternative
to leapfrog time differencing, the second-order Adams-Bashforth method is not subject to time splitting instability and keeps
excellent calculation accuracy. A second-order Adams-Bashforth model has been developed, which represents better stability,
excellent convergence and improved simulation of prognostic variables. Based on these results, the higher-order Adams-Bashforth
methods are developed on the basis of NCAR (National Center for Atmospheric Research) CAM 3.1 (Community Atmosphere Model
3.1) and the characteristics of dynamical cores are analyzed in this paper. By using Lorenz nonlinear convective equations,
the filtered leapfrog scheme shows an excellent pattern for eliminating 2Δt wave solutions after 20 steps but represents less computational solution accuracy. The fourth-order Adams-Bashforth method
is closely converged to the exact solution and provides a reference against which other methods may be compared. Thus, the
Adams-Bashforth methods produce more accurate and convergent solution with differencing order increasing. The Held-Suarez
idealized test is carried out to demonstrate that all methods have similar climate states to the results of many other global
models for long-term integration. Besides, higher-order methods perform better in mass conservation and exhibit improvement
in simulating tropospheric westerly jets, which is likely equivalent to the advantages of increasing horizontal resolutions.
Based on the idealized baroclinic wave test, a better capability of the higher-order method in maintaining simulation stability
is convinced. Furthermore, after the baroclinic wave is triggered through overlaying the steady-state initial conditions with
the zonal perturbation, the higher-order method has a better ability in the simulation of baroclinic wave perturbation. 相似文献
2.
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
3.
With the development of numerical weather prediction technology,the traditional global hydrostatic models used in many countries of the world for operational weather forecasting and numerical simulations of general circulation have become more and more unfit for high-impact weather prediction.To address this,it is important to invest in the development of global nonhydrostatic models.Few existing nonhydrostatic global models use consistently the grid finite difference scheme for the primitive equations of dynamical cores,which can subsequently degrade the accuracy of the calculations.A new nonhydrostatic global spectral model,which utilizes the Eulerian spectral method,is developed here from NCAR Community Atmosphere Model 3.0(CAM3.0).Using Janjic's hydrostatic/nonhydrostatic method,a global nonhydrostatic spectral method for the primitive equations has been formulated and developed.In order to retain the integrity of the nonhydrostatic equations,the atmospheric curvature correction and eccentricity correction are considered. In this paper,the Held-Suarez idealized test and an idealized baroclinic wave test are first carried out,which shows that the nonhydrostatic global spectral model has similar climate states to the results of many other global models for long-term idealized integration,as well as better simulation ability for short-term idealized integration.Then,a real case experiment is conducted using the new dynamical core with the full physical parameterizations of subgrid-scale physical processes.The 10-day numerical integration indicates a decrease in systematic error and a better simulation of zonal wind,temperature,and 500-hPa height. 相似文献
4.
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
5.
IAP AGCM-4动力框架的积分方案及模式检验 总被引：7，自引：3，他引：4
以灵活性跳点格式和时间分解算法为重点, 介绍了IAP (中国科学院大气物理研究所) AGCM-4的动力框架, 并用R-H (Rossby-Haurwitz) 波和Held-Suarez方案对框架进行了检验。结果表明: 高纬灵活性跳点格式很好地保持了普通跳点格式的各种性质, 未产生计算紊乱现象, 可在一定程度上增大时间步长, 在未采用滤波处理时增大时间步长的效果更为显著; 时间分解算法, 即将平流过程与适应过程分开计算, 二者都采用3次非线性迭代积分方案, 在N=5和N=10 (N为平流过程时间步长与适应过程时间步长的比值) 的情况下, 可分别节省CPU时间10.7%和19.9%; R－H波检验表明, 在积分的前80天, 框架较好地保持了R－H 4波的波形, 总有效能量仅衰减0.1%, 从第80天开始, 风场波形开始变形和破碎, 对应的动能和总能量也开始急剧衰减, 至第365天, 总有效能量衰减约8%, 此时, 风场和高度场亦变得较平直。经分析, 第80天R－H波破碎的主要原因是平流项的计算误差使R－H波失稳, 而其后的高度场和风场的变平直是典型的旋转适应机制; Held－Suarez方案检验也证明该框架是可靠的。 相似文献
6.
The adjoint sensitivity related to explosive cyclogenesis in a conditionally unstable atmosphere is investigated in this study.The PSU/NCAR limited-area,nonhydrostatic primitive equation numerical model MM5 and its adjoint system are employed for numerical simulation and adjoint computation,respectively.To ensure the explosive development of a baroclinic wave,the forecast model is initialized with an idealized condition including an idealized two-dimensional baroclinic jet with a balanced three-dimensional moderateamplitude disturbance,derived from a potential vorticity inversion technique.Firstly,the validity period of the tangent linear model for this idealized baroclinic wave case is discussed,considering different initial moisture distributions and a dry condition.Secondly,the 48-h forecast surface pressure center and the vertical component of the relative vorticity of the cyclone are selected as the response functions for adjoint computation in a dry and moist environment,respectively.The preliminary results show that the validity of the tangent linear assumption for this idealized baroclinic wave case can extend to 48 h with intense moist convection,and the validity period can last even longer in the dry adjoint integration.Adjoint sensitivity analysis indicates that the rapid development of the idealized baroclinic wave is sensitive to the initial wind and temperature perturbations around the steering level in the upstream.Moreover,the moist adjoint sensitivity can capture a secondary high sensitivity center in the upper troposphere,which cannot be depicted in the dry adjoint run. 相似文献
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8.
北半球大气对春季北极海冰异常响应的数值模拟 总被引：2，自引：1，他引：1
在CAM3.0模式中,通过设计一系列数值模拟试验来研究北半球大气环流对北极海冰密集度(Sea Ice Concentration,简称SIC)强迫的响应.将海冰密集度EOF第二模态(EOF2)的时间系数回归到原场,并把这个空间异常场逐月的加到SIC春季气候态上,作为敏感性试验的外强迫.试验结果表明:在季节尺度上,大气环... 相似文献
9.
显式自由表面模型时间分裂格式的一个积分方案 总被引：5，自引：0，他引：5
Zhou Weidong 《大气科学进展》2002,19(2):255-265
讨论了有关显式自由表面模型的时间分裂格式中的分裂误差。在传统的积分方案中，由于采用蛙跳格式，斜压动量方程具有三层的时间离散结构，但是，正压动量方程在相应的时间层上只有二层的离散结构。因此，正压方程与斜压方程的时间离散结构是不相容的。分析结果表明，这是导致分裂误差的原因。本提出一种能保持时间离散结构相容的正压和斜压方程的时间积分方案。该积分方案的分裂误差很小因此特别适合于需要长期积分的气候研究。该方案在北太平洋的一个自由表面模型中得到了应用。 相似文献
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11.
为改善球面经纬度网格在高分辨率应用的苛刻限制,提高全球大气动力模式的时间积分效率,选取以阴阳网格为基础构建通量型非静力大气模式动力框架,采用有限体积法和通量型平流显式算法积分方案,保证模式的守恒计算性能。该动力框架在标准三维大气理想试验中进行了中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,罗斯贝-豪威茨波试验和山脉罗斯贝波试验中均表现出很好的稳定性和三维计算效果,其中水平2.5°分辨率模式的平衡流垂直速度误差为10-5量级,而经向速度误差在10-2量级,罗斯贝-豪威茨波保持基本波形稳定传播,而地形罗斯贝波试验则给出背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。 相似文献
12.
The barotropic and baroclinic disturbances axisymmetrized by the barotropic basic vortex are examined in an idealized modeling framework consisting of two layers. Using a Wentzel-Kramers-Brillouin approach, the radial propagation of a baroclinic disturbance is shown to be slower than a barotropic disturbance, resulting in a slower linear axisymmetrization for baroclinic disturbances. The slower-propagating baroclinic waves also cause more baroclinic asymmetric kinetic energy to be transferred directly to the barotropic symmetric vortex than from barotropic disturbances, resulting in a faster axisymmetrization process in the nonlinear baroclinic wave case than in the nonlinear barotropic wave case. 相似文献
13.
The barotropic and baroclinic disturbances axisymmetrized by the barotropic basic vortex are examined in an idealized modeling framework consisting of two layers.Using a Wentzel-Kramers-Brillouin approach,the radial propagation of a baroclinic disturbance is shown to be slower than a barotropic disturbance,resulting in a slower linear axisymmetrization for baroclinic disturbances.The slower-propagating baroclinic waves also cause more baroclinic asymmetric kinetic energy to be transferred directly to the barotropic symmetric vortex than from barotropic disturbances,resulting in a faster axisymmetrization process in the nonlinear baroclinic wave case than in the nonlinear barotropic wave case. 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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把斜压气流中的短波槽看成波包，并把波包作为准地转模式的初值进行研究，发现波包的结构对其演变有重要影响，初始阶段急流轴下面向西倾斜的波包能够获得较快的发展，而向东倾斜的波包则是衰减的，这与ＷＫＢＪ方法得出的结论［１］是一致的，但是无论西倾还是东倾的波包，除了其自身随时间的演变外，还会激发出斜压不稳定波动，而且随着扰动的发展，不稳定斜压波会逐步在扰动中占主导地位。由此可以解释某些中纬度气旋的发生发展问题。 相似文献
16.
在非均匀分层下,目前GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）模式中使用的垂直差分方案只能达到一阶精度。本文设计了一种适用于非均匀分层的二阶精度垂直差分方案,并将它应用于改进GRAPES模式动力框架的垂直离散化过程。一维廓线理想试验结果表明:二阶精度方案可以减少差分计算误差,而这种改进的幅度相对于差分计算本身引起的误差来说仍然是比较小的。通过密度流试验对修改后的模式动力框架进行测试,结果表明二阶方案可以保持模式动力框架的准确性和稳定性。进一步利用实际资料开展批量测试,发现二阶方案可以降低模式高空要素场的预报误差,而且这种改进随着预报时间的延长变得更为明显。最后选择一次典型的华南暴雨过程进行模拟,同样发现二阶精度方案对于48小时之后的降水会有一定程度的改进。 相似文献
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18.
海气界面动量通量算法的改进 总被引：1，自引：0，他引：1
COARE（Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment）算法是国际上较先进的计算海气界面通量的算法。最新的COARE 3.0算法包含TY01方案和O02方案两种考虑真实海浪状态的海面空气动力学粗糙度方案;当有效波高和谱峰周期缺省时,利用Taylor01风浪特征量参数化方案可对它们进行参数化。在此基础上引入自主设计的WHP（Wind-wave significant wave Height and dominant wave Period）风浪特征量参数化方案和三种海面空气动力学粗糙度方案,即SCOR方案、GW03方案、PYP07方案以及更简单的Andreas12、Vickers15摩擦速度算法,利用NDBC（National Data Buoy Center）浮标数据、解放军理工大学风浪流水槽实验数据,针对中高风速条件（10 m/s≤U10≤25 m/s）比较上述方案对摩擦速度的预测效果。结果表明:WHP方案在COARE 3.0算法中的应用效果优于Taylor01方案,且新引入的SCOR、GW03、PYP07海面粗糙度方案对风浪特征量的观测误差敏感性更小、稳定度更高;水槽实测数据的对比结果表明,WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案计算的摩擦速度与实测值最接近;引入其他三种实测数据的检验结果表明,原始COARE 3.0算法会低估摩擦速度,而WHP方案结合SCOR海面粗糙度方案能更准确地预测摩擦速度随10 m风速的增长趋势。 相似文献
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基于2016-2018年ECMWF模式温度预报和浙江省72个国家基本站观测资料,根据温度日变化特征,采用K-近邻(KNN)回归算法进行误差订正,改进浙江省172 h精细化温度预报。在KNN回归算法中,将模式起报时刻的温度视作“背景”,由模式预报减去起报时刻温度消除“背景”影响,得到温度日变化曲线,通过温度日变化曲线构建差异指标,选取历史相似个例。根据历史相似个例的误差特征,对温度预报进行订正,得到改进的温度预报。检验结果表明,KNN方案的温度预报平均绝对误差较ECMWF和30 d滑动平均误差订正方案(OCF)的分别减小26.2%和5.2%;日最高和最低温度预报误差绝对值小于2℃,准确率较ECMWF的分别提高14.8%和4.3%,较OCF的分别提高3.0%和1.3%。KNN方案对地形复杂地区的温度预报改进效果更为明显,对冷空气活动和夏季高温等天气过程预报改善效果也较稳定。 相似文献