一种大气模式极区显式稳定方法技术

本发明专利技术公开了一种大气模式极区显式稳定方法，包括以下步骤：提取大气模式预报方程中的预报倾向；计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度；根据大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度，设置高斯滤波模版的纬向并行通信宽度；根据高斯函数设置高斯滤波模版内每个格点上的滤波权重；在每个积分时间步内，基于高斯滤波模版的纬向并行通信宽度和每个格点上的滤波权重对大气模式预报方程中的预报倾向进行卷积滤波，得到滤波后的预报倾向；使用滤波后的预报倾向更新大气模式预报方程中的预报变量，完成经纬网络大气模式极区的显式稳定，本发明专利技术在经纬网格上实现了稳定的显式模式积分，其时间步长与准均匀网格动力框架相当。相当。相当。

【技术实现步骤摘要】
一种大气模式极区显式稳定方法


[0001]本专利技术涉及大气参数测量领域，具体涉及一种大气模式极区显式稳定方法。

技术介绍

[0002]全球大气数值模式，简称大气模式，是开展数值天气预报和气候模拟的必要科学工具，其主要包括显式分辨网格尺度的动力框架与描述次网格过程的物理参数化方案，本申请主要关注动力框架的设计与实现。动力框架需要求解球面上非线性的地球流体偏微分方程组，首先需要选取某种球面离散网格，其中经纬网格由于其正交性、数据结构简单、与大气运动方向的一致性等优点，仍是一种不错的选择。但是，由于经线在南北两极收敛，造成极点附近的纬向格距随纬度向极点急剧缩短，直到极点为零，这造成显式数值方案在极区计算稳定性极差，容易出现计算中断，所能够使用的显式时间积分步长过短，无法满足计算时效性要求。
[0003]以往常用的处理方法包括：1）极区纬向快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）滤波算法，即对预报倾向或预报量本身做全纬圈的FFT变换，滤除高频波动，然后再变换回去，从而达到有效的扰动抑制作用，但是该算法需要整个纬圈的通信，在大规模计算时容易成为计算瓶颈，逐渐被淘汰；2）半隐式半拉格朗日算法，即对预报方程中的快波过程采用隐式处理以保证稳定性，对运动速度较慢但仍制约稳定性的平流过程采用半拉格朗日平流计算，这种处理极大提高了大气模式的时间步长，仍是目前国际上多个业务预报中心所采用的算法，但是该算法在每个时间步需要多次求解全局三维亥姆霍兹方程，计算量与并行通信量都较大，且程序开发难度和维护负担较大。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种大气模式极区显式稳定方法解决了显式时间积分步长过短的问题，且回避了现有半隐式计算方案开发难度和维护负担大的问题。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种大气模式极区显式稳定方法，包括以下步骤：S1、提取大气模式预报方程中的预报倾向；S2、计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度；S3、根据大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度，设置高斯滤波模版的纬向并行通信宽度；S4、根据高斯函数设置高斯滤波模版内每个格点上的滤波权重；S5、在每个积分时间步内，基于高斯滤波模版的纬向并行通信宽度和每个格点上的滤波权重对大气模式预报方程中的预报倾向进行卷积滤波，得到滤波后的预报倾向；S6、使用滤波后的预报倾向更新大气模式预报方程中的预报变量，完成经纬网络大气模式极区的显式稳定。
[0006]进一步地：所述步骤S2计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度的公式为：其中，α为CFL数，用于描述数值方案线性计算的稳定性，c
max
为最大波速，为显示时间步长，为中间计算变量，R为球面半径，为纬度，为纬向分辨率。
[0007]进一步地：所述步骤S3包括以下分步骤：S31、设置α的最大值α
max
，得到α与α
max
的比例w；S32、对w进行向上取整的操作得到卷积核的模版格点数n，并判断n是否为奇数：若是，则进入步骤S33；若否，则将n的值加1后进入步骤S33；S33、根据卷积核的模版格点数n，计算每个纬圈的高斯卷积核模版半宽h，其公式为：；S34、对二维球面进行进程剖分，使每个进程负责计算剖分后的一块区域，获取每个进程各自负责计算的纬圈上的最大高斯卷积核模版半宽h
max
，将h
max
设置为高斯滤波模版中该进程的纬向并行通信宽度。
[0008]进一步地：所述步骤S4包括以下分步骤：S41、设置高斯滤波模版中格点的横坐标；S42、将高斯滤波模版中格点的横坐标代入高斯函数中计算每个格点上的滤波权重。
[0009]进一步地：所述步骤S41中设置高斯滤波模版中格点的横坐标的公式为：其中，x
i
为高斯滤波模版内第i个格点的横坐标，i为计数标识，i=1,2,3...,n。
[0010]进一步地：所述步骤S42中计算每个格点上的滤波权重的公式为：其中，β
i
为第i个格点上的滤波权重，为方差参数。
[0011]进一步地：所述步骤S5得到滤波后的预报倾向的公式为：其中，LF
i+j
为第i+j个格点处滤波前的大气模式预报方程中的预报倾向，
为高斯卷积滤波模版内格点相对编号，为第i个格点处滤波后的大气模式预报方程中的预报倾向。
[0012]上述进一步方案的有益效果为：对预报倾向做高斯卷积滤波，可以滤除纬向高频扰动，达成了实现稳定显式积分的关键。
[0013]本专利技术的有益效果为：
附图说明
图1为大气模式极区显式稳定方法流程图。
[0014]图2为斜压波标准测试算例结果。
具体实施方式
[0015]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。
[0016]如图1所示，在本专利技术的一个实施例中，提供一种大气模式极区显式稳定方法，包括以下步骤：S1、提取大气模式预报方程中的预报倾向；S2、计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度；S3、根据大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度，设置高斯滤波模版的纬向并行通信宽度；S4、根据高斯函数设置高斯滤波模版内每个格点上的滤波权重；S5、在每个积分时间步内，基于高斯滤波模版的纬向并行通信宽度和每个格点上的滤波权重对大气模式预报方程中的预报倾向进行卷积滤波，得到滤波后的预报倾向；S6、使用滤波后的预报倾向更新大气模式预报方程中的预报变量，完成经纬网络大气模式极区的显式稳定。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度的公式为：其中，α为CFL数，用于描述数值方案线性计算的稳定性，c
max
为最大波速，为显示时间步长，为中间计算变量，R为球面半径，为纬度，为纬向分辨率。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3包括以下分步骤：S31、设置α的最大值α
max
，得到α与α
max
的比例w；S32、对w进行向上取整的操作得到卷积核的模版格点数n，并判断n是否为奇数：
若是，则进入步骤S33；若否，则将n的值加1后进入步骤S33；S33、根据卷积核的模版格点数n，计算每个纬圈的高斯卷积核模版半宽h，其公式为：；S34、对二维球面进行进程剖分，使每个进程负责计算剖分后的一块区域，获取每个进程各自负责计算的纬圈上的最大高斯卷积核模版半宽h
max
，将h
max
设置为高斯滤波模版中该进程的纬向并行通信宽度。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S4包括以下分步骤：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气模式极区显式稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提取大气模式预报方程中的预报倾向；S2、计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度；S3、根据大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度，设置高斯滤波模版的纬向并行通信宽度；S4、根据高斯函数设置高斯滤波模版内每个格点上的滤波权重；S5、在每个积分时间步内，基于高斯滤波模版的纬向并行通信宽度和每个格点上的滤波权重对大气模式预报方程中的预报倾向进行卷积滤波，得到滤波后的预报倾向；S6、使用滤波后的预报倾向更新大气模式预报方程中的预报变量，完成经纬网络大气模式极区的显式稳定。2.根据权利要求1所述的大气模式极区显式稳定方法，其特征在于，所述步骤S2计算大气模式预报方程在经纬网络上的纬向稳定度的公式为：其中，α为CFL数，用于描述数值方案线性计算的稳定性，c
max
为最大波速，为显示时间步长，为中间计算变量，R为球面半径，为纬度，为纬向分辨率。3.根据权利要求2所述的大气模式极区显式稳定方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：S31、设置α的最大值α
max
，得到α与α
max
的比例w；S32、对w进行向上取整的操作得到卷积核的模版格点数n，并判断n是否为奇数：若是，则进入步骤S33；若否，则将n的值加1后进入步骤S33；S33、根据卷积核的模版格点数n，计算每个纬圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：董理，王斌，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：