全拉格朗日平流新方案在大气模式中的研究与应用

Advection scheme is the essential component of the atmospheric circulation model. It calculates the transportation of tracers (i.e., moisture, aerosols, etc.). These tracers will join in the computation of other parts of the model (i.e., cloud and precipitation related processes), so the faithfully simulated distribution of the tracers will influence the model performance significantly. At the same time, following the needs of the deepening model development, the number of tracers will increase tremendously, so the multi-tracer computation efficiency stands out day by day, and becomes one of the key problems. This project will design a new advection scheme in fully Lagrangian form. The major features are: 1) tracers are discretized as parcel centroids moving with flow; 2) the total tracer mass is conserved naturally; 3) the numerical diffusion error is decreased effectively. Then the new scheme will be applied to an atmospheric circulation model (e.g., GAMIL). Several experiments (single dynamical core, and AMIP) will be conducted to evaluate the performance of the new scheme, and analyse the impacts on other parts of GAMIL. Multiple tracers will be advected to gain the computation efficiency for supporting the incorporation of atmospheric chemical model.

平流方案作为大气环流模式的重要组成部分，负责计算示踪物（如水汽、气溶胶等）的传输过程。这些示踪物会参与到模式其它部分的计算，如与云和降水相关的过程，因此模拟出合理的示踪物分布对大气模式的模拟性能具有重要影响。同时随着模式发展的需要，示踪物个数不断增加，平流方案的多示踪物计算效率问题日益突出，使其成为制约模式发展的关键问题之一。本项目将设计一种新的全拉格朗日平流方案，其主要特点为：1）离散方式为随体移动的微团质点；2）能够合理地保证示踪物的质量守恒；3）有效减小数值扩散误差。然后将其接入到大气模式GAMIL中，通过多种试验（单独动力框架和AMIP）来评估其模拟性能，分析其对模式其它方面带来的影响（如云和降水的模拟），同时还将检验其多示踪物的计算效率，为大气化学模式的加入提供必要的支持。

平流方案作为大气环流模式的重要组成部分，负责计算示踪物(如水汽、气溶胶等)的传输过程。这些示踪物会参与到模式其它部分的计算，如与云和降水相关的过程，因此模拟出合理的示踪物分布对大气模式的模拟性能具有重要影响。同时随着模式发展的需要，示踪物个数不断增加，平流方案的多示踪物计算效率问题日益突出，使其成为制约模式发展的关键问题之一。本项目将设计一种新的全拉格朗日平流方案，其主要特点为：1）离散方式为随体移动的微团质点；2）能够合理地保证示踪物的质量守恒；3）有效减小数值扩散误差。然后将其接入到大气模式GAMIL中，通过多种试验（单独动力框架和AMIP）来评估其模拟性能，分析其对模式其它方面带来的影响（如云和降水的模拟），同时还将检验其多示踪物的计算效率，为大气化学模式的加入提供必要的支持。.本项目期间，设计完成了一个基于形变矩阵的全拉格朗日平流方案，并加入了以流场形变为触发条件的微团混合算法，解决拉格朗日方案的混淆误差问题，使用了最新的带示踪物相互反应的算例进行评估，结果好于现有的欧拉方案。新方案能够在拉格朗日空间准确保证示踪物之间的非线性关系。同时还将新方案扩展到三维，解决了一系列算法问题，以WRF-LES模拟的风场为驱动，与WRF中的高阶差分方案进行对比，结果显示新方案的数值扩散更小，而差分方案的扩散严重。.拉格朗日观点作为描述流体运动的两种观点之一，具有独特的视角。从两种观点出发的数值方案也展现出不同的发展轨迹。许多欧拉方案难以保证的物理特性，如低数值扩散、示踪物相互关系、多示踪物计算效率等问题，在拉格朗日方案中可以轻而易举地解决。本项目是为数不多的全拉格朗日方案研究之一，通过研究展示了全拉格朗日方案的优越性和可行性，同时也暴露出可能存在的问题，为后续研究提供一些经验。