一种具有质量与能量守恒的垂直隐式修正（VIC）方案的全球非静力大气模型

全球非静力大气模型对于研究行星和系外行星气候正变得日益重要。然而，此类模型因水平和垂直方向间的大纵横比而面临计算困难。为克服该问题，我们开发了一种采用垂直隐式修正（VIC）方案的全球模型，其中积分时间步长不再受垂直方向声波传播的限制。我们证明了基于 $\rm Athena^{++}$ 框架及其行星大气扩展 SNAP（Simulating Non-hydrostatic Atmosphere on Planets）的模型在有限体积模拟中严格守恒质量和能量。我们发现，使用 VIC 方案时不需要传统的数值稳定器（如超粘性和散度阻尼），这极大简化了数值实现并提高了稳定性。我们给出了从一维线性波到带或不带 VIC 方案的三维全球环流的模拟结果。这些测试表明，我们的公式正确追踪局部湍流运动，产生 Kelvin-Helmholtz 不稳定性，并在热木星上生成超旋转急流。与显式模型相比，采用该 VIC 方案将全球模拟的计算效率提高了两个数量级以上，并提升了在区域和全球尺度上模拟广泛行星大气的能力。