计算涡度的新方法

提出应用一维数值微分算法求取观测风场的涡度场,并与中央差分方法作了比较.结果表明,一维数值微分算法稳定、可行且计算精度较高,对较小尺度的天气系统具有较强的识别能力. 关键词： 数值微分 吉洪诺夫正则化 正则化解     

平流涡度方程及其在2006年Bilis台风分析中的应用

推导得到气压坐标中的动量叉乘形式的垂直涡度方程,这个动量叉乘形式的涡度方程包含了水平风的平流旋转效应,可称为平流涡度方程.由于水平风场的平流作用可由等压面天气图直观分析得到,因此平流涡度方程可方便用于实际天气分析.对2006年的Bilis台风移动过程中由经典涡度方程和平流涡度方程计算得到的垂直涡度倾向进行对比分析发现,二者计算得到的垂直涡度倾向变化的分布形式接近,但平流涡度方程计算得到的倾向的数值明显大于经典涡度方程的数值,正负涡度倾向区也更集中.对Bilis移动过程中的垂直涡度方程和平流涡度方程中各项的计算分析表明,水平风场的平流旋转作用是Bilis发展移动过程中垂直涡度变化的一个主要因素,是造成垂直涡度增强并发展的主要原因.因此,当水平风场平流旋转效应较强时,平流作用对垂直涡度倾向变化起主导作用,可直接用平流项来近似分析Bilis台风的涡度变化.而平流涡度方程中地转涡度和散度项的变化趋势与Bilis台风的移动路径有较好的一致性,这一项对台风的移动路径预报有更好的指示意义.     

二维不可压无粘流动问题的流线——混合元数值模拟

基于流函数一涡度表达式，对不可压无粘流动问题采用沿流线的差分格式逼近涡度函数，采用混合元方法同时逼近流函数及速度场。理论分析与数值实验表明；格式对上述三个物理量具有同时逼近、高精度、高稳定性的良好性质。这是传统的数值方法难已达到的。     

台风莫拉克(2009)暴雨过程中位势切变形变波作用密度诊断分析和预报应用

在水平风场切变形变的基础上引入物理量——位势切变形变, 把水平风场的垂直分量和切变形变与广义位温的空间梯度结合起来. 该物理量的二阶扰动被定义为波作用密度, 在局地直角坐标系中推导了能够描述中尺度扰动系统发展演变的波作用方程. 对2009年登陆台风莫拉克引发的暴雨过程进行诊断分析, 结果表明, 台风中心区切变形变向涡度的转化显著, 该转化通过纬向风的经向梯度实现. 纬向风速的经向梯度与广义位温垂直梯度的耦合引起位涡和位势切变形变之间的转化, 以至于位势切变形变和位涡的异常值区分别位于台风环流的外侧和内侧. 波作用密度因能够描述水平扰动风场的垂直切变和切变形变以及凝 结潜热函数扰动梯度而与观测降水联系紧密. 相关统计分析表明, 2009年夏季波作用密度与6 h观测降水存在明显滞后相关性, 对未来6 h降水有一定的指示意义. 另外, 波作用密度通量散度和扰动非地转风位涡是影响波作用密度局地变化的主要物理因素. 基于波作用密度与观测降水的良好相关性, 建立了波作用密度暴雨预报方程. 2009年登陆台风"苏迪罗", "天鹅", "莫拉菲"和"巨爵"的暴雨预报个例分析和长时间序列的ETS评分计算表明, 波作用密度对台风暴雨具有较好的预报效果, 其预报降水能力略优于美国全球预报系统(GFS)的直接降水预报. 关键词： 位势切变形变 波作用密度 波作用通量散度 台风暴雨     

有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

MHD数值模拟中清除伪磁场散度方法

针对全MHD (Magnetohydrodynamics)数值模拟中存在伪磁场散度的问题,发展了如下计算方法:基本格式基于八波对称形式方程组,补充相关源项以保持方程组守恒性,并采用投影方法辅助清除伪散度.投影方法中,基于有限体积方法求解三维Poisson方程.算例显示,对于光滑解析磁场,伪磁场散度得到有效清除;对于带激波高超声速MHD流动,全局投影下自由来流区域误差增大.提出一种局部投影方法,在高磁场散度区域进行投影.结果表明,最终流场收敛稳定,高磁场散度得到有效清除,而低散度区域散度不受影响.     

Navier-Stokes方程的线性化微分求积法

提出一种新的线性化微分求积法(LDQM),将这种目的应用到流函数和涡量形式的Navier-Stokes方程.通过LDQM,非线性方程很容易被解出来,并且容易处理压力的边界条件.为检验本目的,计算了两个数值算例.     

水下涡流场前向声散射特性分析

研究水下涡声散射特性,在目标探测和流场声成像领域具有重要意义。针对水下低马赫数涡流场前向声散射建立了数值计算方法,探究了其形态函数和指向性。首先,基于摄动声学理论给出了考虑流声耦合作用的涡声散射模型,采用时域有限差分结合完美匹配层构建了数值求解方法;随后,在算法验证的基础上,预报分析了高斯涡涡核尺寸在1~10 m,同时入射平面波无量纲波数在1~10范围内,涡流场强度对前向声散射特性的影响。结果表明,低马赫数下,声散射场具有对称性,且有明显的主瓣和指向性。其前向散射形态函数随入射波波数、涡核尺寸、涡流场强度增加而增大;主瓣方位角随波数增加而趋近入射波传播方向。      

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果. 关键词： 有限区域 风场分解和重建 调和正弦/余弦方法 流函数和速度势     

ADI方法求解Navier-Stokes方程的一个改进格式

ADI方法常被用来计算不可压缩Navier-Stokes方程^[1]。在处理涡度方程的非线性项和涡度在壁面上的条件时,通常采用滞后的方法对涡度方程和流函数方程分别求解。然而,非线性项的滞后破坏了ADI方法的完全二阶精度;涡度方程和流函数方程分别求解减弱了两个方程的耦合性;涡度壁面条件的滞后则破坏了方法的完全隐式。本文在应用ADI方法求解涡度方程和流函数方程时应用了一种交替线性化的技术,对涡度方程和流函数方程耦合求解,内点和边界点上的涡度和流函数值同时求出。因此,ADI方法保持了完全的二阶精度,避免了上面所提到的问题。作者应用这一方法计算了雷诺数R_θ等于1,10,100,500,1000时的二维方腔流动(空间步长h=1/20)。计算结果表明:这一方法保持了通常ADI方法的优点,可以应用大的时间步长。最后补充计算了雷诺数R_θ=2000的二维方腔流动。     

基于变分方法的有限区域风场分解与重构I: 理论框架和仿真实验

众所周知, 风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数, 其一般通过求解两个Poisson 方程得到. 由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的, 这对风场分解带来了很大困难. 本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性, 其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演. 目标泛函由两部分组成, 一是衡量重构风场误差大小的观测项; 二是保证风场分解问题适定的正则化项, 其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解. 数值试验结果表明, 在正确选取正则化参数后, 利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的.     

基于面元法的水平轴风力机数值模拟

使用基于速度面元法的势流数值模拟方法,以NREL PhaseⅥ为例进行了叶片气动载荷和风轮近尾流场的数值模拟。将势流数值模拟、叶素动量理论和计算流体力学CFD方法的计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明使用速度面元法计算风轮绕流场具有较高的计算精度和求解效率,为大规模风力机群的流场计算和出力预报提供支撑。     

The HyperCASL algorithm: A new approach to the numerical simulation of geophysical flows

We describe a major extension to the Contour-Advective Semi-Lagrangian (CASL) algorithm [D.G. Dritschel, M.H.P. Ambaum, A contour-advective semi-Lagrangian numerical algorithm for simulating fine-scale conservative dynamical fields, Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 123 (1997) 1097–1130; D.G. Dritschel, M.H.P. Ambaum, The diabatic contour advective semi-Lagrangian algorithm, Mon. Weather Rev. 134 (9) (2006) 2503–2514]. The extension, called ‘HyperCASL’ (HCASL), uses Lagrangian advection of material potential vorticity contours like CASL, but a Vortex-In-Cell (VIC) method for the treatment of diabatic forcing or damping. In this way, HyperCASL is fully Lagrangian regarding advection. A grid is used as in CASL to deal with ‘inversion’ (computing the velocity field from the potential vorticity field).     

Analysis of an immersed boundary method for three-dimensional flows in vorticity formulation

This article presents numerical analysis and practical considerations for three-dimensional flow computation using an implicit immersed boundary method. The Euler equations, or half a step of the Navier–Stokes equations when using fractional step algorithms, are investigated in their vorticity formulation. The context of flow computation around an arbitrarily shaped body is especially investigated.In conventional immersed boundary methods using vorticity, singular vortex are dispatched over the body surface. In the present study, one prefers using sources of potential velocity field, dispatched on the body, whose nature is not vorticity. Such a formulation is compatible to the Euler equations. In practice, these sources of potential flow produce a velocity through this surface, aiming in practice at cancelling a flow-through velocity.This article focuses on the use of the source-to-flow-through linear application, its properties being the key points for fast convergence. Its self-adjointness, or lack thereof, conditioning and preconditioning aspects are investigated. It follows that computing a velocity field with no-flow-through conditions in complex geometry, when using the source-to-flow-through linear application, can be achieved for 4/3 of the computational cost of standard Poisson equation in a Cartesian box.The robustness of immersed boundaries is especially interesting when used together with vortex-in-cell methods, well known for their robustness in time and their ability to compute accurately convective effects. A few examples, based on real-world geometries, illustrate the method capabilities.     

Rapid alignment of velocity and magnetic field in magnetohydrodynamic turbulence

We show that local directional alignment of the velocity and magnetic field fluctuations occurs rapidly in magnetohydrodynamics for a variety of parameters and is seen both in direct numerical simulations and in solar wind data. The phenomenon is due to an alignment between magnetic field and gradients of either pressure or kinetic energy, and is similar to alignment of velocity and vorticity in Navier-Stokes turbulence. This rapid and robust relaxation process leads to a local weakening of nonlinear terms.     

Vorticity conditioning in the computation of two-dimensional viscous flows

The problem of evaluating the boundary values of the vorticity in the calculation of two-dimensional viscous flows is considered. It is shown that the splitting of the fourth-order equation for the stream function into two second-order problems implies specific integral conditions which fix the abstract projection of the vorticity field with respect, to the linear manifold of the harmonic functions. These conditions are a direct consequence of the boundary conditions on the velocity, and ensure satisfaction of physically essential conservation laws for the vorticity. The discrete analogue of, the projection conditions produces as many algebraic equations as the number of boundary points and requires the solution of an equal number of Dirichlet problems. In the particular case of stationary linearized equations (Stokes equations) a direct, i.e., noniterative method of solution is obtained. Steady and unsteady computational schemes relying on the projection conditions on the vorticity are introduced and extensive numerical results of finite difference calculations of the driven-cavity model problem are reported and discussed.     

Analysis of measurement error of wind lidar caused by propagation properties of Gaussian beam

The Fabry–Perot Etalon (FPE) is widely used in Doppler wind lidar as frequency discriminator and its performance is certainly affected by the propagation properties of Gaussian beam. The divergence angle of lidar returns affected by the quality factor M² and magnification of beam expander (MBE) of outgoing laser is firstly discussed. Also, the corresponding sensitivity of system on wind velocity is analyzed. The numerical results show that the divergence angle of lidar returns and FPE transmission varied with height, the resulting sensitivity of system is decreased and the wind velocity error is relatively steady in the far field. Consequently, for the wind lidar using FPE as frequency discriminator, it is supposed that the outgoing laser with both lower beam quality factor M² and higher MBE are requested, in particularly, the system calibration due to FPE instability must be considered in the near field.     

A High-Order Discontinuous Galerkin Method for 2D Incompressible Flows

In this paper we introduce a high-order discontinuous Galerkin method for two-dimensional incompressible flow in the vorticity stream-function formulation. The momentum equation is treated explicitly, utilizing the efficiency of the discontinuous Galerkin method. The stream function is obtained by a standard Poisson solver using continuous finite elements. There is a natural matching between these two finite element spaces, since the normal component of the velocity field is continuous across element boundaries. This allows for a correct upwinding gluing in the discontinuous Galerkin framework, while still maintaining total energy conservation with no numerical dissipation and total enstrophy stability. The method is efficient for inviscid or high Reynolds number flows. Optimal error estimates are proved and verified by numerical experiments.