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GRAPES模式中三维科氏力计算及其效果评估

作者: 牛嫣静 [1] 彭新东 [2] 范广洲 [1]
关键字: 科氏力 非静力模式 计算稳定性 误差                                                                                                                
摘要: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.