模式特征

模式主要特点
(a)二步保形正定水汽输送方案
AREM模式中的水汽传输方案是自行设计的一个两步保形正定平流计算方案,该方案结合了简化的一阶迎风格式频散误差小以及简化的二阶Lax-Wendroff格式耗散误差小的特征,不同于其它建立在修正的迎风格式基础上的正定平流方案。该方案比其它的保形方案或非振荡平流传输方案都要省时,而且计算结果也能与复杂方案相媲美。该方案不仅对提高AREM模式的暴雨模拟预报能力有重要贡献,将其应用于中国科学院大气物理研究所大气环流模式和海洋环流模式中后,也显示出较强的优势。
(b)“阶梯地形坐标+静力扣除”的地形处理
AREM模式综合考虑了目前国际上合理解决地形问题的计算方法和处理技巧,采用Messinger提出的阶梯地形垂直坐标(即eta坐标),结合引进曾庆存的标准层结近似,减小大气运动方程组在数值计算中常出现的“大项小差”所产生的计算误差,有效地解决了复杂地形所带来的计算问题,使得模式能较好地体现复杂陡峭地形的作用。
(c)水平E网格变量分布下的“半格距差分方案”
在AREM模式中,采用了自行设计的“半格距差分方案”,实现了E网格沿水平方向差分而得到相当于沿对角线差分精度的结果,整体提高了模式的计算精度。重力波部分沿E网格水平方向差分与沿B网格水平方向差分有相同的精度,但E网格的时间步长可取范围是B网格的1.4倍。另外,“半格距差分方案”还被成功用于解决E网格中的“C网格分解问题”和构造“完整”的水平扩散项差分格式,使得水平扩散能更全面地涉及到周围相邻格点。
(d)自主发展的显式云雨预报方案
提出水物质转换正定平衡叠代算法,有效提高了云雨过程计算精度。
  

1. 模式方程组

   AREM基本方程组是以中国科学院大气物理研究所(IAP)格点大气环流模式(GCM)动力框架为基础建立的。该方程组易于构造出完全能量守恒的时空差分格式,使模式具有比较好的稳定性和守恒性。AREM的动力框架基于地球经纬坐标,并采用静力平衡假定,从p坐标系下的大气运动基本方程组出发,通过标准层结假设, 坐标变换,IAP因变量变换之后,得出本模式系统的动力框架,包括动量方程、热力学方程、连续方程、静力方程、水物质预报方程等。
   2. 水平E网格分布
  通过分析可以知道,(1)E网格的频散性质至少和B网格一样;(2)在相同情况下,B、E网格的可取时间步长是C网格的1.414倍;(3)E网格和B网格一样可以保持科氏力单点不做功的性质;(4)E网格是唯一能同时保持有较高精度涡度和散度计算的变量分布形式。但是,由于E网格分布的特殊性,也产生了一些处理上的困难。模式采用半格距沿网格线的气压梯度力散度和常规整格距计算的气压梯度力散度之差修正水平质量散度差分解决了虚假的二倍格距波问题;采用整格距水平扩散差分和半格距水平扩散差分的加权平均来构造水平扩散的差分格式从而使水平扩散项差分格式涉及到所有周围邻点的不均匀性;通过采用"半网格增量"差分方法有效地解决了球坐标E网格分布下水汽平流有限差分方案的构造问题。具体变量分布如下:

   3. 垂直ETA坐标
  ETA坐标不仅克服了σ坐标在陡峭地形处气压梯度力计算误差较大的难题,而且沿陡峭的σ面,计算物质平流和水平扩散的误差有所减小。在变量垂直离散过程中,将垂直速度和位势高度置于各模式层的交界面上,将其它量(温度、风速和水汽等)至于各模式层中间。由于变量交错分布,使垂直微商项可直接计算,从而使差分计算精度更高,同时也易于保证气压梯度力两项差分格式的协调性(Janjic,1997)。具体可见下图所示:
   4. 模式基本结构
  下图给出模式的基本结构,反映了AREM的主要方面,主要包括模式框架设计、差分方案、计算方法、物理过程、初始化方法以及模式设计的工程化特征等方面的内容。可以说,模式具备了较大规模、较强功能,并在不断发展和完善。