An Overview of Numerical Methods for the Next Generation U.K. NWP and Climate Model

ABSTRACT

The U.K. Meteorological Office now uses a single model for atmospheric simulation and forecasting from all scales from mesoscale to climate. The constraints which numerical methods for such a model have to satisfy are described. A new version of the model is being developed with the aims of improving its accuracy by better treatment of the ‘balanced’ part of the flow, and increasing its applicability by including non-hydrostatic effects. Unusual features of this version are the use of the Charney-Phillips grid in the vertical, to improve the geostrophic adjustment properties, and the method of constructing the semi-implicit algorithm for solving the fully compressible equations. Idealized tests of these two aspects of the scheme are presented, showing that the Charney-Phillips grid reduces spurious gravity wave generation without compromising the treatment of the atmospheric boundary layer, and that the semi-implicit integration scheme can give stable solutions without the need for added temporal diffusion.

RÉSUMÉ

Le Bureau météorologique du Royaume-Uni utilise maintenant un seul modèle pour la simulation et la prévision atmosphérique, de la mésoéchelle à l'échelle climatique. On décrit les contraintes que les méthodes numériques employeés dans un tel modèle doivent satisfaire. On est à élaborer une nouvelle version du modèle qui devrait améliorer sa précision par un meilleur traitement de la partie « équilibrée » de l'écoulement et par une augmentation de son applicabilité, en incluant les effets non hydrostatiques. Cette version possède des caractéristiques inhabituelles, telles que la grille Charney-Phillips dans la verticale pour améliorer les propriétés d'ajustement géostrophique, et la méthode de contruire l'algorithme semi-implicite pour solutionner les équations entièrement compressibles. On présente des essais théoriques des deux aspects du schéma qui montrent que la grille Charney-Phillips réduit la génération d'ondes de gravité non essentielles sans compromettre le traitement de la couche limite atmosphérique et que le schéma d'intégration semi-implicite peut donner des solutions stables sans la nécessité d'ajouter une diffusion temporelle.