阴阳网格通量型非静力大气模式动力框架性能研究

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rangman
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全球高分辨数值天气预报和长期气候预测依赖于建立在准均匀网格上的守恒大气动力学模式。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,改善全球大气动力模式长时间积分的守恒性能,本研究选以阴阳网格为基础构建了通量型非静力大气模式动力框架。阴阳网格是一种准均匀网格,能够改善传统球面经纬网格的数值计算性能。为了保证非静力大气动力框架的守恒性能,本研究采用了通量型的预报方程组,并且把守恒性能更好的物理量作为模式的预报变量,同时模式离散过程采用有限体积法求解,平流方案采用通量型显式算法积分方案。垂直方向上采用高度地形追随坐标和Lorenz跳层分布,模式的边界处理采用三次拉格朗日插值。对于快波,时间积分采用水平显式、垂直隐式(HEVI)方案计算,对于慢波则采用三阶龙格库塔(Runge-Kutta)方案。水平空间离散采用五阶迎风有限差分格式,垂直空间离散采用二阶通量型有限差分方法。构建的动力框架在标准三维大气理想试验中进行水平2.5°分辨率的中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,Rossby-Haurwitz波试验和山脉Rossby波试验中都表现出很好的稳定性和较高精度的计算结果。三维平衡流试验中,模式积分12天后仍然保持平直的纬向风和平行纬圈的等压线分布,其中垂直速度误差为10-5量级,经向速度误差在10-2量级。尽管分辨率较低,积分14天后Rossby-Haurwitz波仍能保持基本波形稳定传播。在地形Rossby试验中,气流过山后形成了明显的地形强迫波动,并且随着时间不断发展增长,背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。结果表明,本文构建的基于球面阴阳网格的三维非静力大气动力框架可以在保证守恒计算的前提下,实现稳定、高精度时间积分,满足中期数值预报的动力需求,为将来球面准均匀网格通用模式动力框架构建打下基础。
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