ISSN 1004-4965

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零侧边界通量方案在CMA-MESO模式中的应用

仇培宇 沈学顺

仇培宇, 沈学顺. 零侧边界通量方案在CMA-MESO模式中的应用[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 468-476. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043
引用本文: 仇培宇, 沈学顺. 零侧边界通量方案在CMA-MESO模式中的应用[J]. 热带气象学报, 2024, 40(3): 468-476. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043
QIU Peiyu, SHEN Xueshun. Application of Zero Lateral Flux Scheme in the CMA-MESO model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 468-476. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043
Citation: QIU Peiyu, SHEN Xueshun. Application of Zero Lateral Flux Scheme in the CMA-MESO model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(3): 468-476. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043

零侧边界通量方案在CMA-MESO模式中的应用

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.043
基金项目: 

国家重点研发计划 2017YFC1501901

详细信息
    通讯作者:

    沈学顺,男,河南省人,研究员,主要从事数值预报与数值模拟研究。E-mial: shenxs@cma.gov.cn

  • 中图分类号: P456.7

Application of Zero Lateral Flux Scheme in the CMA-MESO model

  • 摘要: 在全球或区域数值模式中实现水汽等水物质的守恒或收支平衡计算十分重要,缺乏质量守恒可能会导致虚假的水汽运动和过量的局部降水。目前我国的CMA-MESO模式中使用的平流方案是PRM(Piecewise Rational Method)方案,尽管该方案有较高的精度和正定保形性以及能够在全球模式中做到守恒,但是在有限区域模式中由于侧边界的处理难以做到在有限区域模式中的守恒或收支平衡。为了解决模式平流方案在有限区域模式中的守恒问题,研究了一种新的简单且可忽略计算成本的有限区域模式半拉格朗日方案质量守恒的零侧边界通量方案(Zero Lateral Flux, ZLF)将其应用在CMA-MESO模式中。研究先通过理想试验结果表明ZLF方案具有良好的守恒性和保形性,能够更好保持物理量场的分布和强间断物理量场的守恒。然后将该方案加入CMA-MESO模式中,通过实际个例预报试验和连续预报试验结果表明ZLF方案能够抑制高估的降水,减少虚假降水预报,显著改善降水落区预报。对于极端暴雨而言,ZLF方案对于降水量级和降水落区预报改善效果都非常显著。ZLF方案有效改进了CMA-MESO模式的水物质不守恒问题,提高了模式的降水预报效果。

     

  • 图  1  ZLF方案计算域示意图

    实际中R1和R2大小远比Ω1小的多,示意图为了凸显进行了放大。

    图  2  一维理想试验三种波形场十转积分后分布图

    a.三种波形总体分布图;b.方波局部放大图;c.三角波局部放大图;d.正弦波局部放大图。蓝色实线为初始场;橘色虚线为PRM方案对照结果;绿色虚线为ZLF方案结果。

    图  3  一维理想试验总质量误差比随积分步数变化图

    蓝色实线为PRM方案对照结果;橘色实线为ZLF方案结果。

    图  4  一维理想试验三种波形质量误差比随积分步数变化图

    蓝色为方波,橘色为三角波,绿色为正弦波,实线为PRM方案对照结果,虚线为ZLF方案结果。

    图  5  7月20日08时—21日08时ZLF方案与PRM方案的水物质差之比和降水差之比小时变化图

    rain: 降水,Qv: 水汽,Qc: 云水,Qr: 雨,Qi: 云冰,Qs: 雪,Qg: 霰;Control试验为PRM方案。

    图  6  7月20日08时—21日08时累积24 h降水分布图

    a.实况降水分布;b.PRM方案降水分布;c.ZLF方案降水分布。

    图  7  7月20日08时—21日08时1 000~100 hPa整层平均水汽通量散度差值

    填色,ZLF-PRM差值,单位:10-5 g·cm-2·hPa-1·s-1和水汽通量矢量图(箭头,ZLF方案结果,单位: 10 g·cm-1·hPa-1·s-1

    图  8  7月20日08时—21日08时累积24 h降水预报评分

    a.TS评分;b.BIAS评分(Control试验为PRM方案)。

    图  9  7月累积24 h降水预报评分平均

    a.TS评分;b.BIAS评分(Control试验为PRM方案)。

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-30
  • 修回日期:  2024-05-06
  • 网络出版日期:  2024-08-08
  • 刊出日期:  2024-06-20

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