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分块地形坐标大气环流模式框架的计算稳定性及数值试验 总被引：2，自引：1，他引：1
用数值试验方法讨论了分块地形η坐标大气环流模式动力框架的计算稳定性; 采用实际初始场, 该框架能够长期稳定地积分.在积分前100d内总有效能量变化很小, 总质量守恒、各物理量场的数值和波形都得到很好保持, 这表明该框架稳定性好.在分析了该框架的积分结果后可知其合乎物理事实, 与IAP 2.0的动力框架相比, 能更好地反映出大地形的环流形势, 这说明有大地形时采用分块地形η坐标要较σ坐标好.另外, 还对青藏高原等大地形的纯机械强迫作了数值试验, 得到了地形强迫平均槽脊的分布特征, 给出了地形纯机械强迫造成的准定常行星波的图像. 这些工作表明采用分块地形η坐标处理大地形是合理可行的. 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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基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。 相似文献
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利用第5代欧洲中心—汉堡大气环流模式ECHAM5全球大气环流谱模式和中国气象局自主研发的GRAPES全球同化与预报模式分别对2010年1月1—6日全球平流层温度进行了模拟分析,结合相应时段的全球最终分析资料FNL,对比评估了两个模式对平流层温度的模拟效果,并对较为显著的误差现象进行了分析与探讨。结果表明:对于50 h Pa高度上的温度,ECHAM5模式模拟的温度与FNL资料的结果在研究时段内随时间的变化很小,而GRAPES模式模拟的结果在南半球随时间变化显著偏暖。进一步将ECHAM5和GRAPES模式所用的温度初始场进行对比研究表明,两者的分布形态非常形似,尤其是在南半球地区,大部分差值接近于零。将ECHAM5采用的全球臭氧廓线应用于GRAPES模式中,对比发现南半球平流层异常增温的现象仍然存在。因此,温度初始场和臭氧廓线的选取不是造成GRAPES模式模拟出现南半球平流层异常增温的主要原因,需要对GRAPES模式中其他动力及物理过程或参数选取做进一步的深入分析,以弄清其在平流层温度模拟中出现较大偏差的原因。 相似文献
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GRAPES_GFS中三维参考大气的研究：参考态构造和实际预报试验 总被引：1，自引：0，他引：1
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,前期的研究工作已在GRAPES_GFS的动力框架中引入了三维参考大气,并通过一系列理想试验检验了新方法的正确性以及计算精度。本部分研究工作,主要针对实际资料的预报试验,对比分析了不同三维参考态给定方法的优劣,并采用气候平均法,进行夏季两个月的四维变分循环预报试验。检验结果显示,使用三维参考大气后,模式的综合预报性能得到了提升,对流层高度场、温度场的预报偏差有所减小,长期积分过程中模式质量损失较为严重的问题也得到了明显的缓解。另外,通过动能谱的对比也可以看到使用三维参考大气后,模式在高层的能量耗散明显较小,能谱变化与观测更加吻合。 相似文献
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提高月预报业务水平的动力相似集合方法 总被引：3，自引：0，他引：3
针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。将这一集合新方法应用到中国国家气候中心业务大气环流模式(BCC AGCM1.0),一组10 a准业务环境下回报试验结果显示,相比于业务集合预报,动力相似集合预报方法能有效改进模式对于大气环流的纬向平均、超长波和长波预报,从而有效提高了月平均环流预报技巧(几乎达到业务可用标准)和逐日环流预报技巧,并显著降低了预报误差,合理增加集合离散度,使二者配置关系得以改善,有望在业务预报中应用。 相似文献
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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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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
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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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Long-Term Integration of a Global Non-Hydrostatic Atmospheric Model on an Aqua Planet 总被引：1，自引：1，他引：0
A global non-hydrostatic atmospheric model, i.e., GRAPES_YY (Global/Regional Assimilation and Prediction System on the Yin–Yang grid), with a semi-implicit semi-Lagrangian (SISL) dynamical core developed on the Yin–Yang grid was coupled with the physical parameterization package of the operational version of GRAPES. A 3.5-yr integration was carried out on an aqua planet to assess the numerical performance of this non-hydrostatic model relative to other models. Specific aspects of precipitation and general circulation under two different sea surface temperature (SST) conditions (CONTROL and FLAT) were analyzed. The CONTROL SST peaked at the equator. The FLAT SST had its maximum gradient at about 20° latitude, giving a broad equatorial SST maximum in the tropics and flat profile approaching the equator. The tropical precipitation showed different propagation features in the CONTROL and FLAT simulations. The CONTROL showed tropical precipitation bands moving eastward with some envelopes of westward convective-scale disturbance. Less organized westward-propagating rainfall cells and bands were seen in the FLAT and the propagation of the tropical wave varied with the SST gradient. The Inter Tropical Convergence Zone (ITCZ), Hadley cell, and westerly jet core were weaker and more poleward as the SST profile flattened from the CONTROL to FLAT. The climatological structures simulated by GRAPES_YY, such as the distribution of precipitation and the large-scale circulation, fell within the bounds from other models. The stronger ITCZ precipitation, accompanied with stronger Hadley cells and convective heating in the CONTROL simulation, may be summed up as a result of stronger parameterized convection and the non-hydrostatic effects in GRAPES_YY. In addition, mechanism of the zonal mean circulation maintaining is analyzed for the different SST patterns referring the transient eddy flux. 相似文献
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回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。 相似文献
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基于半拉格朗日 (semi-Lagrangian) 方案的数值天气预报模式, 求解半拉格朗日轨迹上游点变量, 通常采用传统直线逐点拉格朗日多项式插值, 由已知模式格点 (欧拉网格点) 的数值插值获得。对于三维空间上游点的插值, N阶精度需要O(N3) 运算量。N增大, 运算量将大幅增加, 特别耗费计算机机时, 而采用Cascade插值法 (降阶插值法) 则只需要O(N) 运算量。它的显著特点是:用曲线代替直线, 通过一系列中间过渡网格点, 在曲线上用一维拉格朗日插值, 使得相邻拉格朗日格点或中间过渡点的插值不再是孤立的, 而且可以重复使用某些中间结果, 达到减少运算量的目的。将这种方法合理应用于GRAPES模式, 并根据模式的特点, 对Cascade插值过程中独立变量的距离分段计算, 从而有利于实现并行计算。计算结果表明Cascade插值法与传统直线逐点插值法相比, 计算效率平均提高约30%, 同时不降低精度。 相似文献
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大气环流模式中动力框架与物理过程的相互响应 总被引：7，自引：3，他引：4
用大气环流模式CAM3.1和IAP AGCM4.0对模式中动力框架与物理过程之间的相互作用及响应关系进行了初步探讨。选用理想的物理过程（Held-Suarez强迫）及完整物理参数化方案,分别对两个模式积分了60 d。试验表明,动力框架与物理过程之间的相互响应在低纬对流层和高纬对流层中上层有着较大的区别。在低纬对流层,动力框架及物理过程产生的温度倾向都有着较大的变率,对总的温度倾向的变率均有较大的贡献,且二者之间为相互补偿的反相关关系;在高纬对流层的中上层,总的温度倾向的变化主要依赖于动力框架的贡献,物理过程造成的倾向变化很缓慢,可近似地看做定常的强迫,且物理过程产生的温度倾向与动力框架产生的温度倾向之间为正位相的响应关系。此外,还对各个物理参数化方案之间的相互作用及响应关系进行了分析。结果表明,在所有过程中,湿过程所引起的温度倾向的变化最为显著,对总的物理过程倾向的贡献也最大;在高纬地区,长波辐射冷却也有较大的变率;短波辐射加热率及垂直扩散加热率的变化相对较小;长波辐射冷却和短波辐射加热之间为近似负反馈的响应关系。 相似文献
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设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法（GCR）求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。 相似文献
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Performance of a Reconfigured Atmospheric General Circulation Model at Low Resolution 总被引：3，自引：2，他引：3
Paleoclimate simulations usually require model runs over a very long time.The fast integration version of a state-of-the-art general circulation model (GCM),which shares the same physical and dynamical processes but with reduced horizontal resolution and increased time step,is usually developed.In this study,we configure a fast version of an atmospheric GCM (AGCM),the Grid Atmospheric Model of IAP/LASG (Institute of Atmospheric Physics/State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics),at low resolution (GAMIL-L,hereafter),and compare the simulation results with the NCEP/NCAR reanalysis and other data to examine its performance.GAMIL-L,which is derived from the original GAMIL,is a finite difference AGCM with 72×40 grids in longitude and latitude and 26 vertical levels.To validate the simulated climatology and variability,two runs were achieved.One was a 60-year control run with fixed climatological monthly sea surface temperature (SST) forcing,and the other was a 50-yr (1950-2000) integration with observational time-varying monthly SST forcing.Comparisons between these two cases and the reanalysis,including intra-seasonal and inter-annual variability are also presented.In addition,the differences between GAMIL-L and the original version of GAMIL are also investigated. The results show that GAMIL-L can capture most of the large-scale dynamical features of the atmosphere, especially in the tropics and mid latitudes,although a few deficiencies exist,such as the underestimated Hadley cell and thereby the weak strength of the Asia summer monsoon.However,the simulated mean states over high latitudes,especially over the polar regions,are not acceptable.Apart from dynamics,the thermodynamic features mainly depend upon the physical parameterization schemes.Since the physical package of GAMIL-L is exactly the same as the original high-resolution version of GAMIL,in which the NCAR Community Atmosphere Model (CAM2) physical package was used,there are only small differences between them in the precipitation and temperature fields.Because our goal is to develop a fast-running AGCM and employ it in the coupled climate system model of IAP/LASG for paleoclimate studies such as ENSO and Australia-Asia monsoon,particular attention has been paid to the model performances in the tropics.More model validations,such as those ran for the Southern Oscillation and South Asia monsoon, indicate that GAMIL-L is reasonably competent and valuable in this regard. 相似文献
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Langmuir turbulence is a complex turbulent process in the ocean upper mixed layer. The Coriolis parameter has an important effect on Langmuir turbulence through the Coriolis–Stokes force and Ekman effect, however, this effect on Langmuir turbulence has not been systematically investigated. Here, the impact of the Coriolis parameter on Langmuir turbulence with a change of latitude (LAT) from 20°N to 80°N is studied using a non-hydrostatic large eddy simulation model under an ideal condition. The results show that the ratio of the upper mixed layer depth to Ekman depth scale (RME) RME = 0.266 (LAT = 50°N) is a key value (latitude) for the modulation effect of the Coriolis parameter on the mean and turbulent statistics of Langmuir turbulence. It is found that the rate of change of the sea surface temperature, upper mixed layer depth, entrainment flux, crosswind velocity, downwind vertical momentum flux, and turbulent kinetic energy budget terms associated with Langmuir turbulence are more evident at RME ≤ 0.266 (LAT ≤ 50°N) than at RME ≥ 0.266 (LAT ≥ 50°N). However, the rate of change of the depth-averaged crosswind vertical momentum flux does not have a clear variation between RME ≤ 0.266 and RME ≥ 0.266. The complex changes of both Langmuir turbulence characteristics and influence of Langmuir turbulence on the upper mixed layer with latitude presented here may provide more information for further improving Langmuir turbulence parameterization. 相似文献
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区域中尺度模式对西南地区一次强降水过程的预报分析 总被引：2，自引：0，他引：2
为了认识区域数值模式对西南地区降水预报能力,探索降水预报误差原因,本文应用MICAP资料,NCEP再分析资料,FY-2E辐射亮温资料,自动站资料,西南涡加密观测资料等,针对2012年7月2～5日西南地区一次强降水过程,分析了西南区域中心运行的WRF模式和GRAPES中尺度模式的预报能力,得到：（1）两模式不同程度反映了本次强降水过程.相对而言,WRF模式的预报略好于GRAPES,得益于WRF模式对对流层中低层温度、水汽、流场等演变的较好反映.（2）两模式预报对流层中低层温度偏差总体呈现正偏差,GRAPES模式呈现较大的温度偏差,正偏差特征更显著.两模式不同程度出现空报降水,特别是在高原东南坡.GRAPES模式空报雨区特征更明显.（3）两模式预报近地层湿度较实况大,都预报高原南坡,特别是高原东南坡风场辐合、水汽场辐合偏强,可能是造成虚假降水的主要原因.（4）较实况,WRF模式预报对流层高层的高压和对流层中低层的低压系统偏强,GRAPES模式预报西南低空急流偏强（可能是引起温度正偏差的原因）,两个模式预报的对流层正涡度较深厚,辐合上升运动强,这些可能是造成降水预报偏差的原因. 相似文献
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Observation of a summer tropopause fold by ozonesonde at Changchun,China: Comparison with reanalysis and model simulation 总被引：1，自引：0，他引：1
Tropopause folds are one of the key mechanisms of stratosphere-troposphere exchange (STE) in extratropical regions, transporting ozone-rich stratospheric air into the middle and lower troposphere. Although there have been many studies of tropopause folds that have occurred over Europe and North America, a very limited amount of work has been carried out over northeastern Asia. Ozonesondes produced by the Institute of Atmospheric Physics were launched in Changchun (43.9°N, 125.2°E), Northeast China, in June 2013, and observed an ozone-enriched layer with thickness of 3 km and an ozone peak of 180 ppbv at 6 km in the troposphere. The circulation field from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Reanalysis (ERA-Interim) dataset shows that this ozone peak was caused by a tropopause fold associated with a jet stream at the eastern flank of the East Asian trough. By analyzing the ozone data from the ozone monitoring instrument and Weather Research and Forecasting model with Chemistry (WRF-Chem) simulations, it was found that a high ozone concentration tongue originating from the lower stratosphere at high latitude (near central Siberia) intruded into the middle troposphere over Changchun between 5 and 8 km on 12 June 2013. The high-resolution WRF-Chem simulation was capable of describing events such as the tropopause fold that occurred on the cyclonic shear side of the jet stream. In addition, the TRAJ3D trajectory model was used to trace the origin of measured secondary ozone peaks in the middle troposphere back, for example, to stratospheric intrusion through the tropopause fold. 相似文献