气象学报
氣象學報
기상학보
ACTA METEOROLOGICA SINICA
2009年
6期
1069-1079
,共11页
差分逼近程度%平滑%频谱%中短波%累积误差
差分逼近程度%平滑%頻譜%中短波%纍積誤差
차분핍근정도%평활%빈보%중단파%루적오차
Difference accuracy%Smoothing%Frequency spectrum%Short and middle wave%Cumulative error
在数值预报和数值模拟中,描述空间微分项的最主要的方法是有限差分法,但使用差分方法会引入截断误差.伍荣生1979年指出,通过在原物理场的基础上构造一个新的物理场,替代原物理场进行差分计算,可以达到减小误差的目的.该文是伍荣生1979年工作的继续,目的在于解释伍荣生1979年所构造的差分格式并得到更为一般化的差分格式.文中给出新的差分格式结合了经典有限差分方法的快速计算和谱方法的高精度的优点.如果在一个给定的网格上对气象要素场进行离散傅里叶级数展开,则基函数(正弦或余弦)的频谱是事免已知的.作者将伍荣生1979年构造物理场的方法视为对物理场的一次平滑,探讨了获取二次平滑场、多次平滑的一般化方法.获取平滑场的基奉原理是使得在固定频谱上的差分逼近程度达到最优.通过对频谱上的累计误差的下降速度分析表明,平滑次数的上限为3次.数值分析的结果表明,二次平滑的最大误差是未作任何平滑的最大误差的0.04倍,在使用相同计算代价的情况下,二次平滑的最大误差是经典的差分格式的0.3倍.平流试验的结果也表明,新的差分格式即一次平滑、二次平滑方案的结果远远优于经典的差分格式.新的差分格式意义在于,在不加密网格的情况下提供了一条提高数值计算精度的途径.
在數值預報和數值模擬中,描述空間微分項的最主要的方法是有限差分法,但使用差分方法會引入截斷誤差.伍榮生1979年指齣,通過在原物理場的基礎上構造一箇新的物理場,替代原物理場進行差分計算,可以達到減小誤差的目的.該文是伍榮生1979年工作的繼續,目的在于解釋伍榮生1979年所構造的差分格式併得到更為一般化的差分格式.文中給齣新的差分格式結閤瞭經典有限差分方法的快速計算和譜方法的高精度的優點.如果在一箇給定的網格上對氣象要素場進行離散傅裏葉級數展開,則基函數(正絃或餘絃)的頻譜是事免已知的.作者將伍榮生1979年構造物理場的方法視為對物理場的一次平滑,探討瞭穫取二次平滑場、多次平滑的一般化方法.穫取平滑場的基奉原理是使得在固定頻譜上的差分逼近程度達到最優.通過對頻譜上的纍計誤差的下降速度分析錶明,平滑次數的上限為3次.數值分析的結果錶明,二次平滑的最大誤差是未作任何平滑的最大誤差的0.04倍,在使用相同計算代價的情況下,二次平滑的最大誤差是經典的差分格式的0.3倍.平流試驗的結果也錶明,新的差分格式即一次平滑、二次平滑方案的結果遠遠優于經典的差分格式.新的差分格式意義在于,在不加密網格的情況下提供瞭一條提高數值計算精度的途徑.
재수치예보화수치모의중,묘술공간미분항적최주요적방법시유한차분법,단사용차분방법회인입절단오차.오영생1979년지출,통과재원물리장적기출상구조일개신적물리장,체대원물리장진행차분계산,가이체도감소오차적목적.해문시오영생1979년공작적계속,목적재우해석오영생1979년소구조적차분격식병득도경위일반화적차분격식.문중급출신적차분격식결합료경전유한차분방법적쾌속계산화보방법적고정도적우점.여과재일개급정적망격상대기상요소장진행리산부리협급수전개,칙기함수(정현혹여현)적빈보시사면이지적.작자장오영생1979년구조물리장적방법시위대물리장적일차평활,탐토료획취이차평활장、다차평활적일반화방법.획취평활장적기봉원리시사득재고정빈보상적차분핍근정도체도최우.통과대빈보상적루계오차적하강속도분석표명,평활차수적상한위3차.수치분석적결과표명,이차평활적최대오차시미작임하평활적최대오차적0.04배,재사용상동계산대개적정황하,이차평활적최대오차시경전적차분격식적0.3배.평류시험적결과야표명,신적차분격식즉일차평활、이차평활방안적결과원원우우경전적차분격식.신적차분격식의의재우,재불가밀망격적정황하제공료일조제고수치계산정도적도경.
In numerical prediction and numerical modeling, the general method to describe differential term in space is finite difference method, however, the using of finite difference method will introduce truncation error. Wu (1979) proposed that in order to improve the accuracy of difference term, a new field was constructed to replace the original physical field in the difference term. This paper is a sister paper of Wu (1979), the main purpose is to interpret the value of Wu (1979), and furthermore to give some more general difference themes. The difference theme in this paper combines both the advantages of finite difference method (fast calculating) and the spectral method (high accuracy). If a discrete Fourier expansion is made on a given grid, the frequency spectrum of the base function (sine or cosine) is fixed. In this paper, the generalized method of finding a 2-order (or more times) smoothing field is explored. The fundamental philosophy to obtain the smoothing field is making an optimum approximation at the fixed frequency spectrum. The upper threshold of smoothing was determined as 3 through observing the decreasing speed of the cumulative error of the frequency spectrum. The results of the numerical analysis reveal that the maximum error of the 2-order smoothing scheme is 0.04 of the classical scheme without any smoothing and 0. 3 of the classical scheme with the same computation cost. The advection experiment also suggests that the new scheme is far more excellent than the classical scheme. The new difference scheme supplies a new road which improves the accuracy of numerical calculating without adding the grids.