2023-04 阴阳网格上全球-区域-统一的大气动力核

期刊：Monthly Weather Review

DOI：10.1175/MWR-D-22-0079.1

题目：A Global-Regional-Unified Atmospheric Dynamical Core on the Yin-Yang Grid

摘要：

利用半隐式半拉格朗日求解器，在阴阳网格上构建了一个全球-区域-统一的非静力动力核。

对于具有多级嵌套能力的全局和有限区域模型，任意坐标旋转都是可能的。

利用坐标旋转配置模型的水平网格，具有很大的灵活性。

通过一系列笛卡尔坐标和球坐标下的数值试验，评估了该动力核的性能。

该结果表现了，分段有理方法处理剧烈梯度平流的合理能力，以及在笛卡尔和球形配置下，干动力核模拟目标系统精细结构的能力。

在平衡流试验中，干动力核的平均收敛速度为2.43。

嵌套网格在不影响波传播的情况下，改善了斜压波发展的精细结构模拟。

在嵌套网格中，涡的传播速度在碰撞试验中保持不变，而涡量振幅比在粗网格中衰减得更慢。

大尺度和小尺度山脉的地形波都得到了适当的发展，具有明显的阻尼作用，与偏离中心的半隐式平均有关。

在地形Rossby波试验中，在嵌套区域模拟出一个比母网格加深的槽。

坐标旋转和网格嵌套的实现，以相对较低的成本，提高了管理大气动力学问题时的数值性能。

总结：

p1.

在阴阳网格上构建了一个全球-区域-统一大气动力核，可以灵活旋转网格。

全球和区域大气模拟可以实现多区域多层网格嵌套。

通过灵活的坐标旋转，地球上的任何区域都可以放置在赤道上的局部经纬度系统中，以利用均匀网格并减少边界的影响。

嵌套网格也可以作为区域模式离线运行。

p2.

在球面上进行了七个理想球面实验，并在笛卡尔坐标系下进行了两次热泡试验，以评估不同空间尺度下的动力核。

在处理笛卡尔坐标系中有很大梯度的非线性问题时，热泡和冷泡说明了该模型在稳定性、单调性和扩散性方面的可靠数值性能。

标准的和旋转的阴阳网格都能描述了球面上平衡地转流的大尺度特征。

数值误差主要由动力学控制的固有流动性质和模式造成。

采用非静力模型验证了数值稳定性。在平衡地转流中，L2标准下的平均收敛率为2.43。

阴阳网格的适当旋转减小了与网格边界相关的计算误差，如平衡地转流所示。

p3.

与全球精细分辨率模式相比，嵌套网格可以用更少的计算资源有效地模拟斜压波的发展和精细结构。

可变分辨率模型中的时间步长受细网格限制，与之相比，嵌套网格的方法相对经济。

斜压波可以通过内部动力学过程在嵌套网格中有效地发展，但其精细特征通过边界条件受到母网格的影响，并且需要时间来发展。

此外，在碰撞极子试验中用中尺度涡旋测试了嵌套网格。

基于与全局粗分辨率和细分辨率模型的结果比较，嵌套网格显著改善了涡旋强度和路径的模拟。

高分辨率的嵌套提高了涡旋强度的维持。

在嵌套模型中移动速度没有受到显著影响，但在全局精细分辨率模型中移动速度加快。

实验表明，极子的移动速度不仅受分辨率的影响，还受时间步长的影响。

p4.

该模型也适用于模拟地形问题，如山地罗斯贝波和重力波。

除了全局粗分辨率和精细分辨率模拟外，嵌套网格中的背风槽的平滑发展表明在复杂地形上嵌套模型横向边界条件的合理布置。

类似的嵌套网格和精细分辨率全局模型的开发支持使用嵌套网格来解决计算资源短缺的问题。

尽管重力波在小尺度山体上存在衰减，但在偏心半隐式半拉格朗日动力核中重力波的适当传播得到了模拟，具有最佳的计算稳定性。

九个测试案例说明了这个动态核心在阴阳网格上的鲁棒性。

因此，动力核为中尺度天气预报提供了新的选择。