MM5中尺度预报模式利用不同初始场模拟黄淮气旋结果的集成

选取三个黄淮气旋个例,分别以NCEP和T213客观分析场作为初始场,利用MM5模式对这些个例进行了模拟。将两种初始场模拟的黄淮气旋中心位置、中心强度和黄淮气旋前一时刻的实况位置作为输入,构建用于预测气旋中心位置和中心强度的人工智能神经元网络。发现:使用人工智能神经元网络可以较好地集成不同初始场下MM5模拟的黄淮气旋中心位置和强度,提高模式预报精度。

基于集群系统的中尺度预报模式平台的构建

随着信息技术的发展,高性能计算机系统近几年来已经得到普及应用,而集群系统作为构建高性能计算平台的比重也越来越大并逐渐成为一种主流模式。从气象行业的中尺度预报模式的需求出发,介绍了集群系统的构建过程,从基础硬件的搭建、运行环境的配置、并行通信模式等方面进行了详细的阐述。

中尺度预报综述

1 引言回溯到1951年,认识中尺度现象已有约40年的历史了,当时已故的 Myron Lidta指出对于单站观测它的尺度太大,而区域性天气图对表现中尺度现象尺度又太小。他提出对这种尺度的现象可冠以“中尺度气象”的前缀。Ligda 建议由他在 TexasA&M

高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。

藉不可逆热力学理论改进中尺度数值天气预报模式水平扩散参数化的一个尝试

大气动力学控制方程组中引入的诸水平扩散项虽属模式动力学的一个组成部分,但从目前通用的四阶扩散算子的数学表示以及实际计算/模拟的效果看,无论线性或非线性的方案均不能恰当地反映扩散的物理实质,从而影响到预报和模拟精度,针对原水平扩散方案中不符合物理耗散规律的部分进行修正,藉刻画多体系统不可逆过程演变方向的热力学第二定律重新构造了一个改进的水平扩散方案以取代原方案,最后通过一个具有解析解的趋于定常流动的一维Burgers方程和1992年在美国佛罗里达州登陆的飓风Andrew个例的计算,揭示了改进方案所取得的若干有意义的结果:对于Burgers方程,采用改进方案后获得了与解析解一致的数值解,而对于飓风Andrew(1992)则获得了与实际观测资料更加接近的地面最大风速和最小气压随时间变化的模拟预报结果。

中尺度天气预报模式WRF在“元”上的性能评估

介绍新一代中尺度预报模式(WRF)的基本概况以及编译运行WRF时需要重点关注的几个问题;描述配置WRF性能测试的数值实验的方法,通过这组数值实验,借助Intel VTune以及PAPI性能测试工具,重点研究如何在高性能计算机上对WRF进行合理的处理器划分配置以及OpenMP线程配置,比较不同配置的并行效率,得到最优的配置方案;测试WRF的强扩展性、弱扩展性以及浮点计算效率。基于以上工作,对WRF在集群系统上的高效使用予以总结与建议。

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于"外推"的临近预报技术在2 h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于"外推"临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用。该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化。融合后的定量降水预报在前1-2 h表现出主要依赖"外推"临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6 h占主导地位。通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6 h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果。

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。

北京地区中尺度数值业务预报的客观检验

对北京地区中尺度数值天气预报客观检验系统的框架和方法进行了详细的介绍 ,分析了北京地区冬季 ( 2 0 0 1年 1 1月 1日～ 2 0 0 2年 2月 2 8日 )主要预报要素的客观检验结果 ,在此基础上给出北京地区冬季中尺度数值预报业务的误差特征 ,并根据检验结果定性地分析了模式预报系统性和非系统性误差的可能来源。结果表明 ,模式地形的强迫作用是地面和对流层低层预报系统性误差的重要来源 ;测站高空预报要素的非系统性误差显著 ,初始时刻存在的误差在积分过程中被进一步放大 ;对北京 ( 5 4 5 1 1 )单站地面要素预报的检验结果发现 ,2 m温度预报冬季整体偏低。

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。

中尺度数值预报模式预报水汽与GPS观测的比较研究

利用建立在长江三角洲地区的GPS观测网中 4个站点资料 ,进行 2 0 0 2年梅雨期( 6月 1 8日～ 7月 1 1日 )MM5模式 2 4小时预报结果与GPS观测资料的比较研究。研究结果表明 :2 0 0 2年梅雨期 ,不同的GPS站点可降水量的变化与梅雨带的移动和走向有直接的关系。提高模式分辨率能减小模式初始场对湿度的分析误差 ,但对可降水量的预报能力改善不明显。尽管MM5模式积分一开始对可降水量的预报就存在 5 %～ 1 0 %的偏差 ,但积分前1 0小时模式对可降水量表现了较好的预报能力。积分 2 0小时后 ,模式对可降水量的预报偏差明显增长。研究还表明 :GPS对可降水量的测量与探空观测有较高的一致性。相距 43km时 ,两者仍有一定的可比性。GPS测量的可降水量资料可能存在系统误差 ,同化GPS资料时应关注GPS资料本身的可靠性。

梅雨期暴雨系统的流依赖中尺度可预报性

中尺度天气系统的初值敏感性,导致了中尺度系统预报极限的存在。中尺度系统的初始误差的快速增长及其中尺度可预报性依赖于系统流的特征。梅雨暴雨形成是多尺度天气系统共同作用的结果,决定了梅雨期暴雨的形成机制的多样性,也决定了其初值敏感性的差异性。本文重点对比分析了五种不同类型的梅雨暴雨的误差增长特征及其机制。冷空气抬升、低层涡旋、边界层冷池、重力波等在梅雨期暴雨系统的误差增长发挥着重要作用,它们通过不同方式促使初始误差由小尺度向大尺度传递。利用初始随机扰动和系统扰动方法构造的初始误差试验表明,系统扰动试验中误差的初始调整较小,能够快速到达误差最优增长尺度。冷槽推进型的误差扰动尺度大,冷空气抬升控制不稳定区域的误差尺度,可预报性强;西南涡移出型和北槽南涡型的低层涡旋平流作用抵消涡旋内的正负偏差,加快了误差能量向大尺度传递,提高了暖季降水的预报技巧;自组织型中重力波、冷池强迫抬升等拟连机制使得误差能量快速频散,出现误差在多个尺度上共同增长,且误差饱和尺度小于上述三种类型,可预报性略差;受局地地形和热力条件影响,非组织局地型的中小尺度误差能量很难饱和,可预报性最差。梅雨期暴雨的误差结构主要决定于暴雨形成中起主要作用的系统。冷空气抬升使得冷槽推进型暴雨中误差沿锋面垂直倾斜;冷空气侵入致使冷槽推进型和北槽南涡型的中层温度误差出现显著性增长;在西南涡移出型、北槽南涡型、自组织型、非组织局地类型中,冷池的形成导致出现了低层的高动量偏差;在所有的暴雨类型中,在对流发展后期,误差向高层传递并增大,导致在高层出现大误差带。

对华南对流云中过冷云水-飞机积冰的直接气象因子的中尺度数值预报试验

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”(HUAMEX)加密观测资料和MM5湿物理显式方案模拟研究了1998.5.23～24自粤北移向南海海岸冷锋前对流云团中的云物理过程,给出了造成飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的空间分布和随时间演变及其与水汽、冰相(冰晶、霰、雪)、垂直气流的相互关系。结果显示,当对流较强因而产生冰相后,由于冰粒子与过冷水间的碰并及过冷水滴蒸发,过冷水迅速减少;当对流较弱因而只有液相云水而无冰相加入时,过冷云水维持。模拟试验显示具有完善湿物理显式方案的高分辨非静力平衡中尺度数值模式MM5可用于对飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的数值预报。

天津市中尺度数值预报业务系统的设计与实现

为适应省级中尺度数值预报业务的需要,设计实现了天津市中尺度数值预报业务系统。该系统由高性能计算机系统、中尺度数值预报模式以及业务运行流程组成的,其设计与实现涉及到高性能计算机系统的建设、中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计等多个方面。高性能计算机系统的建设包括系统选型、功能设计和安装调试等部分,中尺度数值预报模式的业务数据流转以及系统运行监控流程的设计是整个系统业务化的关键。天津市中尺度数值预报业务系统通过工程建设和技术开发完成了奥运期间的气象预报服务任务,已投入业务化运行。

北京地区中尺度非静力数值预报产品释用技术研究

在国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值预报业务系统”基础上 ,充分利用高分辨率中尺度数值预报产品和地面加密气象观测资料 ,分别使用统计和动力释用方法进行局地温度、风和北京市区空气污染状况的预报。试预报结果表明 ,用卡尔曼滤波方法建立的温度和风的预报效果高于中尺度数值预报直接输出结果 ;使用中尺度数值预报结果作为一个简单的污染预报动力模式的气象背景场 ,进行了污染预报试验 ,结果表明该预报方法具有一定的预报能力 ,其中SO2 、NO2 、CO浓度的预报准确率在夏、秋、冬三季中均可达到 6 5 %以上。

基于网格的中尺度数值天气预报系统设计与实现

针对国家高性能计算环境网格计算的特点 ,在长沙网格点上实现了一个包括全球中期数值预报、有限区域数值预报、数值预报产品释用和五维数据可视化相配套的高分辨率中尺度数值天气预报系统 .该系统的预报区域可以移动 ,网格可以加密 ,适合于区域和省一级气象中心作中尺度数值预报业务试验和进行中尺度数值预报科学研究 .介绍了该系统的组成。

中尺度数值天气预报模式MM5分布式并行计算

中尺度数值预报模式是进行中尺度天气预报的有效手段。中尺度模式MM5是国际上应用最广泛的中尺度预报模式之一。数值天气预报的巨大计算量和实效性要求必须通过高性能分布式并行计算来实现。分析了MM5串行算法的特点,研究了其并行算法的实现,讨论了算法的一些改进,给出了MM5模式在分布式并行巨型计算机上的测试结果。

利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流

光学湍流的预报在光学工程应用中具有重要意义,而国内尚未开展这方面工作。简要介绍了中尺度天气预报模式MM5及其框架和坐标系统,并结合Dewan光学湍流参数化方法预报了合肥、库尔勒和东山48 h的折射率结构常数,给出了各个时刻的湍流廓线和折射率结构常数时间剖面图。预报结果符合折射率结构常数随高度变化的量级和趋势的一般特征,但各地的廓线形状存在差异,简要分析了差异产生的原因。由于未有实测对比,结果还需要进一步的实验进行检验以便日后实际应用。

中尺度数值预报产品在人工增雨作业中的释用

利用中尺度数值模式MM5的预报产品进行释用,得到不同预报时段多个适合于人工增雨作业方案制定的特殊产品:不同等温层的高度场、流场、水汽场,云顶、云底高度场,云中含水量等,并建立了服务于人工增雨作业的中尺度数值预报业务系统,可为人工增雨作业提供指导。