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1.
流函数和速度势是表示风场的一种变量, 在数值天气预报模式和分析、同化方案中经常使用, 通常可以用风速分量场求解Poisson方程得到。对于有限区域系统, 往往采用差分方法, 但由于存在边界问题, 用计算所得到的流函数和速度势场重建风速场, 在边界附近经常出现明显的偏差。基于差分方法、利用有限区域风速场求解流函数和速度势场的基本方法和特点的分析, 在Arakawa A网格分布的有限区域, 设计了一种用差分方法求解流函数和速度势场的有效方案。在该有效方案中, 通过将有限区域向外扩展二圈, 风速场线性外推, 改进计算边界风速值和边界定解条件的效果; 尽可能使用协调、一致的差分格式, 提高求解精度; 最后利用一种增量订正迭代方法, 迭代2~3次就可以获得令人满意的结果。实例试验的对比、检验显示, 用该方案计算求得的流函数和速度势场重建风速场, 具有非常高的精度。 相似文献
2.
本文将有限区域求解流函数和速度势的Endlich迭代调整方法(E-T方法)推广至全球区域,并与常用Guass-Seidel迭代求解Poisson方程方法(G-P方法)进行了比较。结果表明:E-T方法适应于全球流函数和速度势的计算,其由内向外调整,不需严格考虑边界条件,可消除边界对计算结果的影响;E-T方法能准确分解和重建原始风场,而由于极地边界和差分格式影响,G-P方法求得的旋转风和辐散风之和不能准确重建原始风场,尤其是经向为固定边界时,两极地附近重建风场误差非常明显;E-T方法与G-P方法另一重要差异是前者利用流函数和速度势与风场偏微分关系直接进行迭代求解,不需计算涡度和散度,不但保证了重建风场的准确性,还防止了涡度和散度计算误差带来的二次污染。 相似文献
3.
将有限区域流函数、速度势求解中常用的两种张驰法(即理查逊法和加速利布曼法)与调和—余弦谱展开法(H-C法)进行了比较,理论研究表明:H-C法单独考虑边界影响分量,物理意义明确,且不会丢失边界上的天气系统;从计算上看,H-C法重建的风场能精确还原原始风场,且计算效率明显高于两种张驰法,即收敛更快。通过在台风Bilis(0604)暴雨增幅过程诊断中的应用发现,常用的两种张驰迭代方法在求解有限区域流函数和速度势的问题上效果都不是很好,即:用理查逊法和加速利布曼法计算的流函数和速度势重建的风场与原始风场差别较大,不能准确还原原始风场;用H-C法不仅计算效率高,还原的风场与原始风场差异极小,且不受南边界较强的西南季风涌影响,在暴雨增幅前期能较好地反映与暴雨增幅相关的强辐合信号。因此,可用H-C法计算得到的无辐散风和无旋风对有限区域的天气系统进行更深入的动力结构分析。 相似文献
4.
有限区域流函数和速度势的计算及其在台风中应用 总被引：1，自引：1，他引：0
在Endlich提出求解旋转风和辐散风基础上,本文给出了直接利用风场迭代计算流函数和速度势的方法,该方法不但能求解流函数和速度势,还可将原始风场直接分解为旋转风和辐散风。此方法在有限区域中,能大大降低边界条件对计算结果的影响,不仅能计算准确的涡度和散度,还能很好的重建原始风场。采用此方法,对"0808"号台风"凤凰"进行了诊断分析,得到了台风不同时期的流函数和速度势、旋转风和辐散风。结果发现在台风的不同时期,流函数与高度场相似,可用其低值中心来分析台风移动路径和强度的变化,速度势存在高值区,其中心与高度场低值中心不吻合;旋转风的涡旋中心也可用来反映台风中心,台风南侧辐散风较大,故可用来反映南方水汽供应对台风发展、成熟、衰退的影响。 相似文献
5.
流函数和速度势能很好反映流体的涡度和散度特征，一直广泛应用于全球和区域大气和海洋环流分析、污染物扩散和资料同化等研究领域。近年发现，有限区域流函数速度势常用算法计算中小尺度系统复杂流场和复杂下垫面驱动的边界层流场时，精度显著下降。本文全面回顾上世纪五十年代以来的五类常用算法，从数学原理和物理意义两方面简述优缺点，总结其适用范围；指出常用的调和—余弦法在可解性条件方面的科学问题，并设计订正方案，以提高其在求解复杂流场问题中的适用性和计算精度；通过理想函数和实际天气过程复杂流场的多组数值试验，直观定量显示并归纳总结适于不同分辨率资料的算法。本文旨在为流函数速度势及其相关变量在极端天气气候事件机理分析和数值预报等领域的有效应用，提供科学依据。 相似文献
6.
气候和天气数值预测本质上都需建立在离散空间的基础上，并要求有高精度的空间离散化计算方案。然而，解析性微分算子和离散性差分算子的差异却是造成数值计算的原始误差源。作根据约束性代价函数原理提出了能够使得截断误差最小化的中心差分优化算子。从最优化角度看，该算子本质上是以一种简单但却相当创新的方式尝试应用变分连续同化（VCA）技术来最小化大气模式中的空间截断误差。此外，该优化差分算子的设计不依赖于网格结构，即可应用在绝大多数Arakawa网格上，诸如非跳点网格（Arakawa-A)以及常规跳点网格（Arakawa-B,Arakawa-C,Arakawa-D)。但为了对优化差分算子精确性进行严格测定，该算子的基准试验结果是通过在截断误差最易被激发出来的非跳点网格上进行严格理论和实际数值模拟测试得到的。两的结果都表明该优化差分算子截断误差造成的数字噪音能被减小到最小量。 相似文献
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GRAPES全球三维变分同化系统--基本设计方案与理想试验 总被引：25，自引：4，他引：21
中国气象局数值预报研究中心开发了一个全球和区域统一框架的格点三维变分资料同化系统(GRAPES3D-Var).作者给出全球版本的方案设计,采用单点观测试验检验方案设计的合理性和正确性.全球方案选择流函数、速度势、非平衡高度和相对湿度作为分析求解的控制变量,用线性平衡方程作为质量场和风场的动力约束,通过预调方法解决背景误差协方差矩阵阶数过大和难以求逆的问题,其中垂直变换和物理变换以及观测算子设计等方面与区域方案相同,但预调的水平变换采用球谐函数谱滤波表示背景误差协方差的水平相关模型,避免了递归滤波在高纬和极区因相关尺度过大无法实施的问题.另外,设计了一个使极区插值和差分计算完全闭合的网格以及相应的算法,解决了极点分析问题.单点观测理想试验结果表明,GRAPES 3D-Var系统能够合理给出全球任何地区的分析. 相似文献
8.
9.
本文用误差传递公式讨论了涡度攻度计算过程中的误差放大现象，指出放大因子的构造形式由差分方案决定，而放大因子的数值大小由流场的风向结构和风速结构决定。放大率随流场结构的变化而在很大范围内变化，致命部分区域诊断结果无信度，本文提出了散度涡度诊断结果无信度时的风场误差限概念，并相应建立了对诊断场作信度鉴别的方法。 相似文献
10.
传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的,在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案,利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试,着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明:在非均匀网格下,提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%),特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时,高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势,4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。 相似文献
11.
该文在GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 模式面三维变分 (3D_Var) 框架中引入了一种描述不同控制变量之间动力平衡约束的新方案。新方案采用统计得到的流函数和模式气压变量 ( π ) 之间的回归系数代替原方案中的线性平衡方程,来表达旋转风和质量场之间的平衡关系;采用流函数和势函数之间的回归系数,补充表达了原方案中所没有的旋转风和散度风之间的平衡关系。与原方案相比,新方案算法简单,避免了垂直方向的反复插值,减少了插值误差的引入。通过随机扰动试验和单点试验可以发现,在地转关系成立较好的区域,新方案中旋转风和质量场的耦合程度与原方案接近一致;而在地转关系不适用区域,新方案可以有效减小两者的耦合程度。此外,由于新方案中添加了旋转风和散度风之间的动力平衡约束,边界层的风场分析也更加接近大气真实状况。 相似文献
12.
Large-eddy simulation of turbulent flow above and within a forest 总被引：10，自引：22，他引：10
A large-eddy simulation has been performed of an atmospheric surface layer in which the lower third of the domain is occupied by a drag layer and heat sources to represent a forest. Subgridscale processes are treated using second-order closure techniques. Lateral boundaries are periodic, while the upper boundary is a frictionless fixed lid. Mean vertical profiles of wind velocity derived from the output are realistic in their shape and response to forest density. Similarly, vertical profiles of Reynolds stress, turbulent kinetic energy and velocity skewness match observations, at least in a qualitative sense. The limited vertical extent of the domain and the artificial upper boundary, however, cause some departures from measured turbulence profiles in real forests. Instantaneous turbulent velocity and scalar fields are presented which show some of the features obtained by tower instrumentation in the field and in wind tunnels, such as the vertical coherence of vertical velocity and the slope of structures revealed by temperature patterns. 相似文献
13.
采用天气雷达径向风场基数据,提取其所含数值特征定量信息,并构建几种强对流指标。采用对区域流场特征表达能力良好的流函数与势函数计算,并运用合适的边界条件及计算处理方案,由泊松方程迭代求出满足区域无辐散条件的特解,进一步通过逆运算重建径向风场及运用交叉相关统计方法,检验重建效果,显示由所用边界处理方案解出的区域流函数与势函数是收敛的,能够清晰表达径向风场特征。并运用径向风数值信息以及它们与局地强对流的密切关系,构建区域强对流时空预警指标方程,依托预警指标,提供径向风场分区精细化预警区位和时间演变状态。根据局地暴雨的径向风特征,运用矩阵转换技术开发了径向风辐合线客观自动识别方法,可提供径向风辐合线的具体地理位置,尺度大小,走向分布,覆盖范围以及动态追踪等定量信息。进一步地将径向风辐合线与径向风定量信息背景场叠加,获得直观的精细化局地强对流中小尺度系统时空预报预警方法。 相似文献
14.
Dynamical and Microphysical Retrieval from Simulated Doppler Radar Observations Using the 4DVAR Assimilation Technique 总被引：3，自引：0，他引：3
Based on a cloud model and the four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation method developed by Sun and Crook (1997), simulated experiments of dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar data were performed. The 4DVAR data assimilation technique was applied to a cloud scale model with a warm rain parameterization scheme. The 3D wind, thermodynamical, and microphysical fields were determined by minimizing a cost function, defined by the difference between both radar observed radial velocities and reflectivities and their model predictions. The adjoint of the numerical model was used to provide the gradient of the cost function with respect to the control variables. Experiments have demonstrated that the 4DVAR assimilation method is able to retrieve the detailed structure of wind, thermodynamics, and microphysics by using either dual-Doppler or single-Doppler information. The quality of retrieval depends strongly on the magnitude of constraint with respect to the variables. Retrieving the temperature field, cloud water and water vapor is more difficult than the recovery of the wind field and rainwater. Accurate thermodynamic retrieval requires a longer assimilation period. The inclusion of a background term, even mean fields from a single sounding, helped reduce the retrieval errors. Less accurate velocity fields were obtained when single-Doppler data were used. It was found that the retrieved velocity is sensitive to the location of the retrieval domain relative to the radars while the other fields have very little changes. Two radar volumetric scans are generally adequate for providing the evolution, although the use of additional volumes improves the retrieval. As the amount of the observations decreases, the performance of the retrieval is degraded. However, the missing observations can be compensated by adding a background term to the cost function. The technique is robust to random errors in radial velocity and calibration errors in reflectivity. The boundary conditions from the dual-Doppler synthesized winds are sufficient for the retrieval. When the retrieval is mainly controlled by the observations in the regions away from the boundaries, the simple boundary conditions from velocity azimuth display (VAD) analysis are also available. The microphysical retrieval is sensitive to model errors. 相似文献
15.
A tropical cyclone is a kind of violent weather system that takes place in warmer tropical oceans
and spins rapidly around its center and at the same time moves along surrounding flows. It is generally
recognized that the large-scale circulation plays a major role in determining the movement of tropical
cyclones and the effects of steering flows are the highest priority in the forecasting of tropical cyclone
motion and track. This article adopts a new method to derive the steering flow and select a typical
swerving track case (typhoon Dan, coded 9914) to illustrate the validity of the method. The general
approach is to modify the vorticity, geostropical vorticity and divergence, investigate the change in the
non-divergent stream function, geoptential and velocity potential, respectively, and compute a modified
velocity field to determine the steering flow. Unlike other methods in regular use such as weighted average
of wind fields or geopoential height, this method has the least adverse effects on the environmental field
and could derive a proper steering flow which fits well with storm motion. Combined with other internal
and external forcings, this method could have wide application in the prediction of tropical cyclone track. 相似文献
16.
多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究 总被引：21，自引：5，他引：21
利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感. 相似文献