中尺度-课件宋

1、第四章资料处理与初始化1 区域和网格设置 区域设置中小尺度过程引起的变量的有意义的变化必须被包括在模式空间中，即模式范围要足够大，从而边界上基本不受中小尺度过程影响。外强迫的尺度和范围（如地形、加热等）对强迫的响应尺度1 区域和网格设置 格距设置中小尺度系统的特征必须能足够被分辨，即中小尺度系统至少要占4个格距。设置的格距要适合计算方案的稳定性要求。计算代价最小，必须考虑计算资源的占用问题。等距网格（Constant Grid Mesh）优点：简单水平网格结构拉伸网格（Stretched Grid Mesh）优点：节省计算资源，同样的网格数可以有更大的模拟区域。视乎需要而调整水平网格结构嵌套网

2、格（Nested Grid Mesh）优点：节省计算资源，通过多层嵌套，可以实现高分辨率的模拟分粗网格和细网格水平网格结构移动网格（Movable Grid Mesh）可跟随着中尺度系统的发展来移动优点：简单，计算代价小，适用移动范围较大的系统的模拟水平网格结构交错网格（Staggered Grid）vuA gridB griduvvvvuuuvvvvuuuuD gridC gridScalars:水平网格结构大部分中尺度天气现象的强迫主要位于对流层低层大气，绝大多数的数值模式在垂直方向上都采用拉伸网格结构垂直分层结构2 模式初始化模式的初始值对中尺度模式来说具有重要影响，Perkey（198

3、0）对比了两种初始水汽场，一个是用大尺度光滑初始场，另一个是不改变区域内的总水汽量，但是采用扰动的水汽初始场，其结果是后者模拟降水量的区域平均值增大了3倍。因此，对于中尺度数值模拟来说，不仅要采用实测要素场，而且还要在初始化中尽量保存中尺度特征。客观分析方法：有限元方法，逐步订正法，九点拉格朗日插值，最小二乘法等另外，由于非定时探空资料日益增多，客观分析还包括了卫星资料、雷达资料等多种数据的使用。初始化方法由客观分析得到的格点值并不能直接作为初始场，为什么？观测资料或分析资料的误差会破坏风场和气压场之间的不平衡，会激发出远超过实际的大幅度重力惯性波，掩盖有天气意义的大气波动；初始资料和模式之间

4、可能不平衡，预报方程的解应该满足初值、边界值和假设条件，但实际上很多模式不满足。如果不进行初始化处理，在模式积分中容易出现虚假的高频波。初始场 初值处理分为静力和动力两种方式，静力处理一般是设风、压场满足某种平衡关系，由位势高度推算出风场，动力处理是通过模式往返积分以使得初始场中的短波部分被滤掉或通过惯性波的传播传出边界。 由于静力处理往往不能有效保留初始场中的中尺度特征，动力处理比较计算资源占用过多、花费时间，一般考虑折中的方案。一种常用的方法是用质量散度垂直积分为零的约束条件来修正实测风，消去初始场中的重力波。再在起始积分的一段时间利用欧拉后差和耗散项进一步滤去初始场的短波，达到与模式大气

5、的适应。初值处理静力初始化 用已知的风压场平衡关系或运动方程使得风压场近似平衡，避免产生大振幅的重力惯性波。A)采用地转风公式确定风压场关系；B)采用平衡方程及水平无辐散条件来确定风压场关系，同 （A）相比，考虑了科氏参数的纬度变化及非线性项的影响；C)（A）散度很小，（B）无辐散。Philips（1960）初始风场中没有适量散度会产生高频波。将散度风通过准地转系统或平衡系统的方程引入。动力初始化 用原始方程模式本身所有的动力特性，使重力惯性波阻尼或者滤去，得到接近平衡的值。A)动力迭代法： Nitta-Hovermale法（1967），应用初始观测风压场及 原始方程模式，采用能够阻尼高频振荡

6、的时间积分格式 进行处理； 不能区分大尺度的重力惯性波跟小尺度的Rossby波，也很难考虑物理过程参数化的作用，并且积分方向交替变化，要求预报方程可逆，但一般预报方程不可逆。B)正规波初始化： 解出原始方程组的正规波解，分为重力波解和Rossby波解；把初始场用这些波解展开，把高频重力波的振幅赋零或初始倾向为零。中尺度模式是有限区域模式，求解守恒方程组，除要求一定的初始值外，还要求适当的边界条件，由于边界上存在能量的内外交换，使得边界也相当于一种外部强迫源，因此，边界处理不好，自然会引起边界附近的高频短波的产生，影响到模拟的效果。3 边界设置侧边界条件最常见的侧边界条件是有固定边界或刚体边界，

7、固定边界是假定边界上的要素值不随时间变化；刚体边界是假定边界上法向速度为零，当边界离区域内部感兴趣部分相当远，并且总积分时间不太长时，由于计算简单而被采用。3 边界设置侧边界条件海绵边界条件，即在边界附近设一缓冲带，一般三至五圈，设为模式中变量，有模式计算输出的局地变化值为，为经海绵边界处理后实际采用的值。设为模式中变量模式计算输出的局地变化值为经海绵边界处理后实际采用的值为3 边界设置边界上的一般形式为在外边界上取固定值，即在缓冲带内边界上取固定值即直接取预报值在两者之间由内向外 值逐渐减小3 边界设置 海绵边界条件的实质是在边界上对固定的外边界和内部的预报场之间起一种平滑协调的作用，它可以

8、对向外传播的惯性重力波较好地吸收，减小边界上波的反射。3 边界设置 对于高分辨率的中小尺度数值模式而言，较好的方法是采用实况内插边界条件，即侧边界上用6或12小时的时间间隔的实况值或加密的场试验资料进行线性内插；对于嵌套网格，一般用粗网格的模拟值内插作为内圈边界条件。需要注意的是即使这样给出的边界值也未必能与内部的细网格预报值协调，因此一般也设立一个缓冲带，在此缓冲带内取3 边界设置 中小尺度模式的顶，理想的应该到大气密度接近为零的高度，然而实际上，由于对流层顶和平流层顶非常的稳定，它限制了中小尺度环流向上的发展，因此对于深对流系统的模拟，一般取上边界在对流层顶或平流层下层。 对于浅对流系统的模拟，上边界可以取在对流层中层，模式层顶的选取主要依赖于实际模拟系统的系统性质。3 边界设置 Pielke认为线性理论可以帮助选择上边界条件，当重力波的垂直传播是模式的重要分量时，应采用吸收层，即在模式的上层平滑处理吸收扰动能量，以防能量的向下反射；否则，可选取物质面作为上边界。3 边界设置 模式的下边界是一个真实物质面，下垫面性质的不均匀性不仅直接强迫产生海陆风、山谷风之类的中尺度环流，对强对流系统也起到一种组织和增强作用。边界层物理过程（热量、动量和水汽的垂直输送等）是大气和地球表面相互作用的结果，因而