《中小尺度数值模拟》复习.docx

目录Chapter1 Introduction (2)1.Water wave phenomena（水波现象） (2)Chapter2 Theories of typical wave models (2)2.Wave deformations in coastal region (2)3.Main types of wave model (2)4.Modeling for different engineering interests (2)5.Models based on solution to the N-S equation (2)6.Nonhydrostatic model (7)7.Models based on potential flow solver (8)8.Boussinesq type models (9)9.Shallow water wave (=long wave) equation (13)10.Models based on mild-slope equation (MSE) (16)11.Phase-averaged models (17)12.Summary of various kinds of wave models (17)Chapter3 Fundamentals of finite difference method (18)13.Typical forms of partial differential equation (PDE) for fluid flow (18)14.Basic concepts of finite difference method (FDM) (18)15.Modified Partial Differential Equation (MPDE) (21)16.Stability(稳定性) and Convergence（收敛性） (22)17.Discussions on the numerical stability of various FDE schemes for specific schemesbased on calculation (25)18.Fourier analysis for numerical stability (26)19.Upwind concept (27)20.Monotonicity（单调性） (28)21.Conservation (28)22.Further discussions on the properties of various FDE schem (28)23.Well-posed problem (30)Chapter4 Fundamentals of FVM (Finite V olume Method) (30)24.Differences among FDM, FVM and FEM (30)25.FVM scheme (30)26.Gridding system (33)27.An example of FVM (34)Chapter5 Solution method to some typical wave models (35)28.Model based on solution to N-S equations (35)29.Models based on Boussinesq equation (36)30.Models based on Parabolic equation (37)Chapter1 Introduction1. Water wave phenomena （水波现象）Concept: water wave is a kind of water flow oscillation with free surface.driven by various kind of forces; sustained by gravity.Chapter2 Theories of typical wave models2. Wave deformations in coastal regionWave diffraction(绕射)Wave refraction （折射）：波峰线与海岸线成一定夹角入射的波浪，波峰线会逐渐旋转，使得波峰线逐渐平行于海岸线。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和 101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波 ,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。

数值天气预报第一章1、名词解释数值天气预报：所谓数值天气预报，就是在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动基本方程组，由已知的初始时刻的大气状态预报未来时刻的大气状态。

因此，大气运动基本方程组是制作数值天气预报的基础。

初始条件：初始条件就是初始时刻各因变量(即气象要素)的空间分布。

其一般形式为u=u(x,y,z,O) v=v(x,y,z,O)t=0, w=w(x,y,z,O)p=p(x,y,z,O)T=T(x,y,z,O)边界条件：边界条件就是所研究区域的大气边界上气象要素应满足的条件。

研究全球范围的大气运动，如果大气内部各气象要素都是连续的，则只需给出大气的下边界条件和上边界条件；如果大气内部存在不连续面，则还需给出内边界条件。

尺度分析:所谓尺度分析就是根据某种类型运动的特征尺度来估计基本方程组中各项数量级的大小，从而使方程组得到简化的一种方法。

特征尺度：物理变量的特征尺度是指某种类型运动所占据的空间范围、维持的时间、各场变量及时空变化的典型值。

大气模式：2、问答四种坐标系的优缺点？第二章1、名词解释地图放大因子：映像比例尺m是映像平面上的距离与地球表面上相对应距离的比值，称之为地图放大系数或地图放大因子。

正形投影：投影光源位于球心，映像面为圆锥面，映像面圆锥角为a (0<a<180),标准纬度为<Po 2、问答特点% —- *第二早1、名词解释平滑：所谓平滑就是用某点周围若干点的值进行加权平均来代替该点的值，经过这样处理的物理量场可以衰减或者滤掉短波分量。

2、问答什么是差分格式的相容性、收敛性和稳定性？它们之间的关系如何？答：截断误差是否随着网格距和时间步长趋于零而趋于零，称为解的收敛性问题。

舍入误差是否随着网格距和时间步长趋于零而在整个求解区域内保持有界，称为解的稳定性。

相容性、收敛性和稳定性之间的关系，即为克拉斯等价定理：对于一个线性微分方程的适定初值问题，若其差分方程和微分方程是相容的，则稳定性是收敛性的充分必要条件。

水锤的数值模拟
一GAMBIT部分
第一步：打开；
第二步：；
第三步：依次打开，，，
；点击apply，得
第四步：划分网格，依次点击，，得
，点击apply，得
依次点击，，得下图
第六步：保存msh文件。

,得
，点击。

二fluent计算
第一步：启动
第二步：读取shuichui.msh文件。

第三步：网格检查，
第四步：算法，define---solver
第五步：选取湍流模型
第六步：选择材料
第七步：设置工作环境
,默认设置。

第八步：UDF
第九步：设置边界条件
A:进口条件
B:出口条件
第十步：求解控制参数设置，依次点击solve—controls---solution，
保持默认设置就可以了。

第十一步：打开残差图，点击plot，其他默认。

第十二步：初始化。

依次点击solve—initialize—initialize，在compute form 下拉表中选择inlet，依次点击init，close就可以了！
第十三步：动画设置
第十四步：迭代
三后处理。

中微尺度耦合
【原创版】
目录
1.中微尺度耦合的定义和背景
2.中微尺度耦合的研究方法和应用
3.中微尺度耦合的挑战和未来发展
正文
中微尺度耦合是一种研究气象和环境过程的方法，它关注的是天气和气候系统中的中小尺度过程。

这些过程对于天气和气候系统的演变有着重要的影响，但由于其尺度较小，传统的观测和模拟手段难以准确捕捉。

近年来，随着计算机技术和观测手段的进步，中微尺度耦合的研究得到了广泛的关注和发展。

中微尺度耦合的研究方法主要包括观测、数值模拟和统计分析。

观测是通过各种手段，如气象站、雷达、卫星等，获取大气和环境参数的实时数据。

数值模拟则是使用数值模型，如数值天气预报模型和气候模型，模拟大气和环境过程。

统计分析则是通过统计方法，如相关分析、回归分析等，分析观测数据和模拟结果之间的关系。

中微尺度耦合的应用主要包括天气预报、气候预测和环境监测。

天气预报是指通过分析中小尺度过程，提高天气预报的准确性。

气候预测是指通过研究中小尺度过程对气候系统的影响，提高气候预测的准确性。

环境监测是指通过观测和分析中小尺度过程，监测环境质量的变化。

尽管中微尺度耦合的研究已经取得了一定的进展，但仍然面临着一些挑战。

首先，中小尺度过程的观测和模拟难度大，需要进一步提高观测和模拟能力。

其次，中微尺度耦合的研究方法和应用还需要进一步完善和优化。

最后，中微尺度耦合的研究还需要更好地与其他气象和环境研究领域相结合，以提高研究的全面性和深入性。

未来，中微尺度耦合的研究将会继续发展，以更好地理解和预测天气和气候系统的演变。

航空数值天气预报模式下风场及风切变小尺度数值模拟蒋立辉;秦宇焘;杨依莹;王智【摘要】针对风切变这一影响航空飞行的主要天气现象,进行小尺度下的风场数值模拟研究.实验模拟时段为协调世界时2014年6月8日06时至2014年6月8日24时(9日00时),对研究区域内生成并过境的强对流天气系统进行中小尺度的绝对涡度、水平风场和垂直风场的模拟;并提取小尺度下的风速风向值,尝试对风切变提取.结果表明:①数值模式能够清晰立体地模拟出这一次强对流天气系统的生成和运动的整体状况;②小尺度下能够对该强对流天气系统的局部进行精细化的立体的模拟;③通过分析小尺度下的数值模拟输出产品,能够判别出风切变;④对于风向数据,采用余弦平滑法能够进行有效的质量控制观察分析.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)013【总页数】6页(P156-161)【关键词】数值模式;风切变;强对流天气系统;小尺度【作者】蒋立辉;秦宇焘;杨依莹;王智【作者单位】中国民航大学空中交通管理学院,中国民航大学民用航空气象技术研究所,天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300;中国民航大学空中交通管理学院,中国民航大学民用航空气象技术研究所,天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300;中国民航大学空中交通管理学院,中国民航大学民用航空气象技术研究所,天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300;中国民航大学空中交通管理学院,中国民航大学民用航空气象技术研究所,天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津300300【正文语种】中文【中图分类】P456.7风切变是指逆风或顺风出现超过几秒钟的突然转变，导致飞机升力的变化。

它不仅可以使飞机跟踪偏差；也可能让飞机失去稳定。

风切变对飞机起飞或降落来讲，是一个潜在的危险因素；也是国际航空领域和气象界一直认可的事实；这是一个很难解决气象问题。

1976年以后，国际民航组织和世界气象组织积极开展对风切变的研究工作，起到了重要的组织作用，明确表示把风切变列为重要研究课题。

隐式( Implicit )：对于给定变量，单元内的未知值用邻近单元的已知和未知值计算得出。

因此，每一个未知值会在不止一个方程中出现，这些方程必须同时解来给出未知量。

隐式求解法将冲压成型过程的计算作为动态问题来处理后，就涉及到时间域的数值积分方法问题。

在80年代中期以前，人们基本上使用牛曼法进行时间域的积分。

根据牛曼法，位移、速度和加速度有着如下的关系：上面式子中，分别为当前时刻和前一时刻的位移，和为当前时刻和前一时刻的速度，和为当前时刻和前一时刻的加速度，β和γ为两个待定参数。

由上式可知，在牛曼法中任一时刻的位移、速度和加速度都相互关联，这就使得运动方程的求解变成一系列相互关联的非线性方程的求解。

这个求解过程必须通过迭代和求解联立方程组才能实现。

这就是通常所说的隐式求解法。

隐式求解法可能遇到两个问题。

一是迭代过程不一定收敛；二是联立方程组可能出现病态而无确定的解。

隐式求解法的最大优点是它具有无条件稳定性，即时间步长可以任意大。

显式求解法如果采用中心差分法来进行动态问题的时域积分，则有如下位移、速度和加速度关系由上式可以看出，当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有关，这就意味着当前时刻的位移求解无需迭代过程。

另外，只要将运动方程中的质量矩阵和阻尼矩阵对角化，前一时刻的加速度求解无需解联立方程组，从而使问题大大简化，这就是所谓的显式求解法。

显式求解法的优点是它即没有收敛性问题，也不需求解联立方程组，其缺点是时间步长受到数值积分稳定性的限制，不能超过系统的临界时间步长。

由于冲压成型过程具有很强的非线性，从解的精度考虑，时间步长也不能太大，这就在很大程度上弥补了显式求解法的缺陷。

在80年代中期以前显式算法主要用于高速碰撞的仿真计算，效果很好。

自80年代后期被越来越广泛地用于冲压成型过程的仿真，目前在这方面的应用效果已超过隐式算法。

显式算法在冲压成型过程的仿真中获得成功应用的关键，在于它不像隐式算法那样有解的收敛性问题。

第一章中尺度天气系统的特征1、中尺度气象学：水平尺度: 10-1000km对象：中尺度环流系统内容：中尺度环流系统的结构、形成和发展演变规律、机制及其分析预报方法意义：①许多灾害性天气（如暴雨、大风、冰雹、龙卷等）都是由中小尺度系统造成的。

②中尺度气象学是甚短期预报和临近预报的理论基础。

（长期>10天，中期3-10天，短期1-3天，甚短期0-12h，临近0-2h）③中尺度环流系统是大气环流重要成员（大尺度背景场依存条件)2、天气系统的尺度划分：（一）经验分类法（经典方法）小尺度系统（雷暴、龙卷）和大尺度系统（锋面、气旋）中尺度系统（飑线、中气旋等）（二）动力学定义可利用罗斯贝数(Ro)和弗劳德(Froude)数(Fr)来描述大气的时空尺度。

Ro = U/fL (惯性力/柯氏力);Fr=U2/gL(△ρ/ρ)(惯性力/浮力）（三）实用（几何）分类3、中尺度大气运动的基本特征（1）尺度：水平尺度在2-2000km之间，时间尺度在几十分钟至几天之间。

范围很宽。

性质不同。

（2）散度、涡度、垂直速度：取V～10m/s,H～10km,对α，β，γ中尺度W分别为10-1m/s, 100m/s和101m/s，垂直速度、散度、涡度都比大尺度运动大1到几个量级。

（3）地转偏向力和浮力的作用：中尺度运动中，地转偏向力和浮力的作用都必须考虑。

大尺度运动：地转偏向力重要，浮力可略小尺度运动：浮力重要，地转偏向力可略中尺度运动：地转偏向力和浮力都考虑（4）质量场和风场的适应关系：质量场（气压场）适应风场。

大尺度运动: 风场适应质量场（气压场）。

中尺度运动: 质量场（气压场）适应风场。

第二章地形性中尺度环流1、中尺度大气环流系统分为：地形性环流系统、自由大气环流系统2、地形波：一般把气流过山所引起的气流称为地形波。

3、地形波的基本类型：层状气流（山脉波）：山脉上空的平滑浅波,风小。

驻涡气流（驻涡）：山脉背风面的半永久性涡旋，山顶以上风速大。