ISSN 1004-4965

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非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验

吴凯昕 徐道生 陈德辉 李梦婕

吴凯昕, 徐道生, 陈德辉, 李梦婕. 非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验[J]. 热带气象学报, 2020, 36(3): 389-400. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037
引用本文: 吴凯昕, 徐道生, 陈德辉, 李梦婕. 非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验[J]. 热带气象学报, 2020, 36(3): 389-400. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037
Kai-xin WU, Dao-sheng XU, De-hui CHEN, Meng-jie LI. CENTRAL DIFFERENCE SCHEMES WITH HIGH ORDER ACCURACY ON NONUNIFORM GRIDS: THEORETICAL DERIVATION AND IDEAL TEST[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(3): 389-400. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037
Citation: Kai-xin WU, Dao-sheng XU, De-hui CHEN, Meng-jie LI. CENTRAL DIFFERENCE SCHEMES WITH HIGH ORDER ACCURACY ON NONUNIFORM GRIDS: THEORETICAL DERIVATION AND IDEAL TEST[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(3): 389-400. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037

非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.037
基金项目: 

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2019M07

国家重点研发专项课题 2018YFC1506900

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2018Q02

详细信息
    通讯作者:

    徐道生,男,浙江省人,副研究员,主要从事数值预报研究。E-mail: dsxu@gd121.cn

  • 中图分类号: P456.7

CENTRAL DIFFERENCE SCHEMES WITH HIGH ORDER ACCURACY ON NONUNIFORM GRIDS: THEORETICAL DERIVATION AND IDEAL TEST

  • 摘要: 传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的,在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案,利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试,着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明:在非均匀网格下,提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%),特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时,高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势,4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。

     

  • 图  1  非均匀网格的节点和网格距示意图

    图  2  Burgers方程解析解

    黑色为t=1 s,绿色为t=1.5 s,黄色为t=2 s。

    图  3  2阶(蓝)、4阶(红)和6阶(绿)非均匀网格差分方案的数值解的误差L2

    图  4  2阶(绿)、4阶(红)和6阶(紫)方案在t=2.0s时的数值解绝对误差|u-utrue|

    图  5  一维平流方程解析解

    黑色为t=1 s,绿色为t=3 s,黄色为t=5 s,红色为t=10 s。

    图  6  2阶(蓝)、4阶(红)和6阶(绿)非均匀网格差分方案的数值解的误差L2

    图  7  2阶(绿)、4阶(红)和6阶(紫)方案在t=10 s时的数值解绝对误差|u-utrue|

    表  1  2阶、4阶和6阶非均匀网格差分方案的数值解的误差L2

    误差L2 2阶 4阶 6阶
    1.5 s 6.57×10-4 2.65×10-5 2.54×10-5
    2.0 s 4.15×10-4 5.91×10-5 5.79×10-5
    2.5 s 3.31×10-4 9.90×10-5 1.00×10-4
    下载: 导出CSV

    表  2  2阶、4阶和6阶非均匀网格差分方案的平流方程数值解的误差L2

    误差L2 2阶 4阶 6阶
    1 s 2.52×10-3 2.97×10-4 2.96×10-4
    3 s 8.86×10-3 3.26×10-3 1.55×10-3
    5 s 3.55×10-2 1.58×10-2 9.51×10-3
    10 s 8.43×10-2 4.67×10-2 3.39×10-2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-10
  • 修回日期:  2020-03-08
  • 刊出日期:  2020-06-01

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