AREM数值模式对2005年汛期四川的降水预报

应用中国科学院大气物理研究所的AREM模式,对2005年汛期四川进行了实时降水预报。结果表明(1)AREM预报性能略好于成都区域中心业务运行模式ETA模式,对大雨和暴雨的TS评分,AREM略高于T213预报。(2)从梯度评分看,高度、温度、涡度等要素均为可预报,而地面温度、整层水汽含量和整层水汽通量散度可预报性较低。(3)AREM对5次区域性暴雨有较好的反映,但与实况还存在一定的差异,AREM降水强度预报较实况偏弱。

AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。

AREM模式的热启动数值模拟——以2007年7月13日暴雨过程为例

在成功移植LAPS云分析系统的基础上,实现了AREM暴雨中尺度数值预报模式的有云状态运行,并以2007年7月13日我国中部地区的一场大暴雨过程为例,进行了AREM模式冷、热启动的数值试验研究。结果表明:(1)模式冷启动0～6h内模拟的降水强度明显偏弱,通常只有不足5mm的降水产生;而模式热启动在模式积分的初始阶段就产生出较强的降水,改善了模式的SPIN-UP问题。(2)模式热启动对0～6h内云和降水预报的影响比较显著,之后影响减小,但对6～24h降水预报仍具有正影响。(3)在暖云方案下,云水初值比雨水初值对降水预报的影响更为显著。

AREMS/973模式系统对2004年中国汛期降水实时预报检验

2004年夏季5～8月，AREMS／973模式系统投入了业务运行，模式区域主要覆盖了中国大陆及周边临近地区，该模式系统基于中国气象局MICAPS／9210业务数据平台，每天2次、完全自动的实时预报24h累积降水。作者主要对每日0000 UTC时起报的24h累积降水预报场进行综合检验，由此对AREMS／973模式系统的24h降水预报能力给予客观的评价。AREMS／973模式系统对于中国汛期降水具有很强的预报能力，其24h累积降水的月总降水分布很好地反应了汛期各时期主雨带的位置、强度及范围，同时该模式系统能够准确预报出独立降水事件的发生和发展，其中，长江中下游和东北地区预报降水与观测降水的时间位相吻合最好；除了5月和8月华北地区、5月西南东部地区、以及5月和6月长江中下游地区，AREMS／973模式系统预报的降水强度总体上弱于观测降水强度，且对于25mm以上量级的降水过程，模式预报的降水范围小于观测降水范围。AREMS／973模式系统预报降水的能力随着降水量级的增大而减小，降水量级愈大，模式预报技巧愈低，对于50mm以上量级的降水过程，模式系统预报降水事件的发生概率类似于随机偶然事件的发生概率。5月，长江中下游地区降水预报略优于其他地区，其次是华南地区，6月雨带北移至江南和江淮地区，此时，长江中下游地区降水预报显著优于其他地区，7月末至8月华北雨季开始，降水预报最优区北移至华北地区，即AREMS／973模式系统降水预报最优区随着雨带的北移而北移，主雨带所在区域往往也是模式降水预报最优的地区。作者对此进行了初步探讨。

AREM短期集合预报系统及其降水预报检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值和侧边界条件的不确定性,采用BGM方案,建立有11个成员、37km分辨率、覆盖全国区域的短期集合预报系统,并将其于2009年汛期投入准业务化试验,进行了连续2个月的预报结果检验。结果表明:由于能提供更多预报信息,集合预报系统优于单一确定性预报,集合平均预报对评分的改进主要表现在暴雨以下量级,概率预报高于集合平均和控制预报,因而更具参考价值;利用多种集合产品对降水过程进行综合分析,能提高决策预报的科学性。

强台风“云娜”登陆过程的研究——基于AREM模式的数值分析

使用新改进的双重嵌套AREM数值预报模式,并与高时空分辨率的探测资料相结合,针对台风“云娜”登陆加强的特点进行数值模拟分析,结果表明该模式对“云娜”台风环流特征、强度变化趋势和台风降雨等都有较强的预报能力。在此基础上,定量研究其登陆加强过程中三维大气中尺度场动、热力特征及演变过程,并探讨了其登陆加强的机理。由此得出了与“云娜”登陆加强相关的重要影响因子:(1)副热带高压西南侧的偏东引导气流加强是“云娜”登陆前移速加快、强度增强的有利环境场条件。(2)“云娜”近海移速加快时有较强的东密西疏的不对称流场结构,特别是其垂直速度场以及强对流发展的水平分布的强不对称特征与该气旋登陆加强同时发生,也可能与台风强度维持和加强存在一定的相关。(3)在“云娜”中心西南侧的强凝结潜热释放过程,有可能助其在登陆时加强。此外,在“云娜”发展加强阶段,低层暖湿、中层干冷的位势不稳定层结,有利于对流的强盛发展。(4)“云娜”登陆前后有强低空急流与之联结,并有垂直对流运动发展,由此可获得不断增强的潜热能量是其登陆加强的另一个重要机制。

非静力AREM模式设计及其数值模拟Ⅰ:非静力框架设计

AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高,制约该模式发展的一个问题日渐突出,即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正,引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组,有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP(Institute of Atmospheric Physics)变换方法,推导出了球面余纬坐标下的非静力框架,并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率,并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点,最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明,当非静力框架退化为静力平衡框架后,方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。

AREM模式预报技术在洪水预报中的应用

AREM是综合考虑中国区域的地形特点和复杂的水汽演变过程,建立的一个对中国区域暴雨有较强预报能力的暴雨数值预报模式.运用AREM模式预报的降雨过程作为预见期内的降雨,结合新安江蓄满产流模型和流域分散入流非线性汇流模型,作出考虑预见期降雨的洪水预报,并将该方法应用于湖北省白莲河流域.

基于MPI技术的AREM模式并行开发及试验

应用消息传递接口函数库(MPI)并行程序设计技术开发了中尺度暴雨数值预报模式AREM(Ad-vanced Regional Eta-coordinate Model)的并行版本,并在3种计算机系统平台下进行了加速比测试,结果显示出较高的并行效率和较好的可扩展性。建立并行版本后,模式高分辨率版本能够满足时效性要求。通过采用并行模式的高低分辨率版本对一个暴雨个例进行模拟表明,高分辨并行版本的模拟结果与观测更为接近,并具有较好的预报时效性。

改进的AREMS对2003年汛期降水预报及对比检验

利用包含三维变分同化的中尺度暴雨数值预报模式系统AREMS和AREM2.1对2003年主汛期(6～8月)进行了每天两个时次(08时和20时)的实时平行预报试验.对24 h累积降水量预报进行了分区检验,结果表明:(1) AREMS对我国夏季降水具有较强预报能力,长江中下游地区TS评分最高.长江中下游、华北和华南地区空报率大于漏报率,东北和西南地区东部则相反.(2) 模式条件的改变(模式层顶、侧边界条件及初值分析)对不同区域24 h降水预报的影响程度不同:6～8月平均而言,影响最显著的是东北、华北地区,然后依次为华南、西南地区东部,影响最小的是长江中下游地区.(3) 模式条件的改变对不同区域TS评分影响不同:6～8月平均而言,AREMS对东北地区降水预报效果改进最显著,特别是12～36 h时效的降水预报;对华北地区的改进也非常明显;对华南地区降水预报水平整体下降;对长江中下游和西南地区东部改进不明显.(4) 模式条件的改变对不同区域空报率和漏报率影响不同: 华北漏报率明显减小,但空报率有所增加;东北绝大多数的空报率与漏报率都较AREM2.1有所减小;西南东部地区,08时漏报率略有所减小,空报率增大,20时反之.(5) 长江中下游、华南和西南地区东部TS评分差值在6、7、8各月变化明显.

2005年AREM模式汛期试验结果评估分析

AREM2.3模式2005年在中国气象局武汉暴雨研究所汛期试验过程中计算稳定,计算了该模式降水预报的分区域(长江中下游、华南、华北、东北、西南、湖北省)汛期(6、7、8三个月)TS评分,全国范围汛期漏报率、空报率、预报偏差,及各区域年内重要降水过程预报和实况的对比及TS评分,计算该模式形势场预报的平均误差、均方根误差、倾向相关系数、误差标准差,并与持续性预报(将前一天的分析场当作前一天对当天的预报场,以此类推)对比,以此对模式预报效果进行分析、评估,并做出总结,为模式的进一步开发和应用提供参考。分析结果表明:AREM2.3模式在2005年汛期试验期间48小时内预报稳定;对于长江中下游、华北、华南、东北、西南、湖北省以至全国范围均有较好的预报水平,但总体上对于强降水中心位置的预报情况不是很好;模式对于高空形势场也具有较好的预报能力,对500hPa位势高度的预报好于对500hPa温度的预报。

非静力AREM模式设计及其数值模拟Ⅱ:数值模拟试验

在程锐等(2018)中,我们完成了非静力AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率(约1 km)下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS(Advanced Regional Prediction System)、WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。

基于AREM模式的贝叶斯洪水概率预报试验

为提高预见期内洪水预报精度,选取湖北省漳河水库2006—2008年汛期逐小时流域降水量、流量资料以及武汉暴雨研究所提供的相应时段AREM模式预报的00—60 h逐小时降水预报产品作为研究资料,引入贝叶斯概率统计模型对AREM模式的降水预报进行订正,并分别对订正前后的预报降水进行对比分析;其后,进一步将AREM模式预报订正前后的降水预报值分别输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明,订正后的预报降水比订正前的精度有所提高,均方根误差减小幅度小于10%;检验期场次洪水的平均确定性系数提高10.66%,平均洪峰相对误差减小3.05%,洪水预报精度在一定程度上有所提高。

初边界条件不确定性对AREM模拟一次华南致洪暴雨的影响

利用AREM(advanced regional E-gridη-coordinates model)模式,针对2005年6月21日发生在华南的一次特大致洪暴雨过程,研究了模式初始场和边界场的不确定性对AREM模拟大暴雨过程的影响。研究表明:模式初始场和边界场对模式模拟降水的不同时段影响存在明显差异,初始扰动误差越大模式误差也越大;误差增长先在中小尺度内伴随着湿对流不稳定,且增长极其迅速,接着向大尺度传播,由于对流有效位能的逐渐释放,大气不稳定度降低,误差在大尺度上增长缓慢;在初始场和边界场相同精度的情况下,增加边界场的中尺度信息,尤其是400 km以下尺度的信息,比增加初始场的中尺度信息更能有效抑制误差的增长。

AREM模式对“05.7”四川大暴雨的敏感性试验

利用AREM中尺度数值模式,对2005年7月8日四川盆地大暴雨天气过程进行了数值模拟,比较分析了AREM模式提供的不同降水方案、地表通量方案、地表辐射参数化方案对此次降水过程的模拟,以及对该过程中西南低涡活动特征的模拟。试验结果表明:各方案较好地反映了四川盆地西南部强降水,对其东北部的强降水模拟存在较大偏差;各方案模拟的涡度场和流场分布决定了降水区域分布;采用降水的显式云微物理过程和大尺度饱和凝结过程模拟的降水强度、低涡强度和低空急流有一定差异,后者模拟的偏强,与实况更接近;不同地表通量过程和地表辐射过程对降水、低涡和低空急流的模拟无明显差异。

AREM模式对0604、0605号台风的预报分析

对2006年7月中下旬由西太平洋地区生成,登陆我国,并对我国造成严重影响的强热带风暴"碧利斯"(0604号)和台风"格美"(0605号)的基本情况做了详细的总结,并基于武汉暴雨所AREM(Advanced Regional Eta Model)模式预报的700hPa流场、900hPa风场及降水量场,就模式对台风登陆时间、登陆地点、移动路径及其引发的附近最大风力和降水过程的预报情况做了分析。结果表明:"碧利斯"达强热带风暴强度,于7月14日12:50在福建霞浦登陆,后西行,造成位于21°N以北、28°N以南东西向的带状雨区,"格美"为台风强度,于7月25日15:50在福建晋江围头镇登陆,后西行,造成华东南地区近西南-东北走向的雨带,两台风给沿途及附近省份造成严重的气象灾害和人、财损失;AREM模式总体上对两台风附近最大风速,风雨带的基本位置、形态、走势、强度预报较好,对一些强降水中心的预报较为理想,但多数强中心的预报与实况存在位置和强度上的偏差;模式对于台风登陆时间和地点的预报较好,偏差较小,对于两台风西行走势的预报也基本符合实况,但也存在一定的预报位置偏差。

AREM对2008年西南地区低温雨雪天气预报能力的检验

采用客观检验方法,就AREM模式对2008年初发生在我国南方的低温雨雪冰冻过程的预报进行了检验。检验结果表明:AREM模式对地面气温预报比较成功,对降温过程显著的成都、重庆、贵阳三站的降温起止时间,降温过程中温度的时间演变特征预报均与实况吻合较好,且预报温度值误差亦较小;对降温不明显的昆明和拉萨站,模式较好地预报出了温度的波动,只是预报温度值误差较大,尤以拉萨为最。此外,AREM模式对此次过程的最大降温区也有较好的预报。从过程平均的Ts评分看,AREM的降水预报能力相对弱于T213和日本模式。

AREM-RUC 3h快速更新同化预报系统的建立与实时预报对比检验

以AREM模式和LAPS系统为核心,建立了3 h快速更新同化预报系统(AREM-RUC),并对武汉暴雨研究所业务运行的三套模式系统(AREM-YW、AREM-SY和AREM-RUC)在2009年6—12月的实时降水预报结果进行了对比检验,结果表明:(1)2009年6月1日至12月14日00时起报的0～24 h降水预报TS评分AREM-RUC在全国、长江中下游、华南、华北、东北、西南地区东部的小、中、大、暴、大暴雨级别的降水评分均高于AREM-YW和AREM-SY。(2)从预报偏差来看,AREM-RUC对暴雨、大暴雨的预报范围比实况偏大;而AREM-YW和AREM-SY均比实况范围偏小。(3)对2009年6月17日湖北当阳局地大暴雨过程的实时预报AREM-RUC明显优于AREM-SY和AREM-YW,3 h不断更新的预报对改进降水落区和落时起到了积极作用。(4)对2009年6月29日长江中下游梅雨锋特大暴雨的实时预报,AREM-YW和AREM-SY预报强度明显偏弱,而AREM-RUC预报结果明显优于其他两个模式系统,预报的特大暴雨中心位置、强度均与实况有较好的对应。该过程实时预报结果也表明,在恰当的初值条件下,AREM模式有能力预报出与实况接近的特大暴雨过程。进一步分析表明,AREM-SY中采用的GRAPES_3DVAR同化方案分析的西太平洋副热带高压明显偏强偏西、水汽偏弱、中低层切变偏弱是导致AREM-SY降水预报偏弱、雨带偏北的原因。(5)对2009年6月29日特大暴雨过程每6 h降水结果的检验表明,3 h不断更新的预报对6 h累积降水量的预报有改善。

AREM模式预报体系对2010年5月我国南方连续暴雨过程预报效果评估

对AREM模式预报体系各成员2010年5月我国南方连续性暴雨过程的预报效果和预报特点进行了详细分析。结果表明:AREM模式预报体系各成员对此次过程的预报效果较好,且各具优势:业务模式对主雨带位置、范围有较好的预报效果;快速更新循环预报系统具有提供短时临近预报的优势;集合预报系统的降水集合平均和概率预报的有机结合能够为主雨带及其降水中心的预报提供较有价值的参考依据。

多核环境下AREM模式混合并行计算研究

使用多核处理器已成为构建高性能计算机系统的主流方式。结合多核高性能计算机系统集共享内存结构和分布式内存结构于一体的体系结构特点,对AREM模式开展MPI/OpenMP混合并行计算研究与实现。性能测试结果表明,使用MPI/OpenMP混合并行计算可以将并行应用扩展至更大处理机规模,缩短计算时间,不对原程序结构做大的改动、以增量方式和较小的并行化代价,取得比较好的并行计算效果。