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。

网格技术在中尺度数值天气预报MM5模式中的应用

以中尺度数值天气预报MM5在网格环境下运行为例,分析了基于网格计算的应用系统在资源共享方面的应用.介绍了中尺度数值预报模式的差分近似算法,并以基于网格计算的中尺度数值天气预报MM5为例,给出了在网格环境下的实验流程和结果.实验表明,使用Globus技术使得原本只能在集群或小型机上运行的科学计算程序能够在普通PC上运行起来,并且随着加入网格机器的增多,可以提高运行速度和吞吐量.

基于多尺度天气预报技术的水库流量预报平台应用研究

本文基于黄龙带水库防洪发电的实际需求,将多尺度的实时天气预报及其不确定性与洪水预报和水库调度相结合,通过机器学习等技术建立基于多尺度天气预报的洪水预报模型和水库优化调度模型,在此基础上构建一套集降雨预报、洪水预报到调度为一体的洪水预报和水库调度平台,为相关地区和部门开展水库调度决策和风险评估提供理论支撑。

城市精细天气预报的理论与技术研究进展

对最近二十多年,城市中尺度天气学和精细预报技术研究进展进行了回顾,包括以下几个方面:(1)城市环流对中尺度降水系统的影响研究;(2)城市环流与地形相互作用的物理过程及其对中尺度系统的影响过程研究;(3)城市环流与海(湖)风环流的相互作用对中尺度天气系统的影响过程研究;(4)城市或城市群对大雾形成与分布的影响研究。最后,对未来城市精细天气预报技术的发展方向进行了展望,认为针对特大城市典型的中尺度天气系统开展精细化观测研究,并将研究成果应用于中尺度模式物理过程的改进之中,进一步完善城市冠层模式,可能是提高城市精细化预报能力的主要有效手段。

利用卫星资料估算中尺度对流云团上升速度的一种方法

为了得到中尺度对流云团内的垂直上升速度 ,给出了一种利用高分辨率红外卫星云图的估算模式 ,并进行实验。结果表明 ,该方法可定量地揭示中尺度对流发展演变的特征 。

基于MM5V3的大气波导预报可靠性和准确度分析

利用GTS高空探测数据和FNL最终分析数据验证MM5V3中尺度数值天气预报模式预报大气波导的有效性,验证区域为东海关注区、南海关注区和亚丁湾关注区,并分别从可靠性和准确度两个方面进行了分析.1)用GTS高空探测数据对表面、悬空波导预报结果进行了验证,结果表明:对一般强度表面、悬空波导预报可靠度为60%~80%;对强波导预报可靠度为80%以上;对波导顶高预报均方根误差为500~800m;波导强度预报均方根误差为10~20 M.2)用4天的FNL数据对蒸发波导高发区预报结果进行了验证,结果表明:蒸发波导预报可靠度为90%以上;波导顶高预报均方根误差为2~3m.总体而言,对于表面、悬空波导,MM5V3对强波导的预报可靠度较高,对一般强度的波导预报可靠度较低,且波导预报准确度很低;对于蒸发波导高发区,MM5V3可以初步实现波导的预报.上述结果为检验中尺度数值天气预报模式预报大气波导的有效性提供了参考,具有现实指导意义.

气候动力降尺度方法在复杂下垫面的应用研究

在传统的以不断更新侧边界场而只进行一次初始场输入的动力降尺度基础上,利用中尺度天气预报模式设计了不同频次初始场的输入,以期检验其在复杂下垫面下的一个站点(SCAOL站)范围的模拟效果,从而改进该站长时间积分模拟的有效性.加入了中尺度天气预报模式自带的分析松弛研究其模拟效果.结果表明4种方案对地面向上2 m处的温度和相对湿度的模拟要优于对10 m处风速的模拟."分析松弛"表现出了对地面相对湿度模拟很好的改善,却不适宜对地表热量通量的模拟,且对10 m处风速的模拟结果变化平缓;增加初始场输入频次对地表热量通量的模拟有改善,对其他3个变量的模拟结果影响不明显.

成都“2008.9.24”暴雨的中尺度数值模拟

为了更好的研究四川成都地区2008年9月23日～25日强降水天气的物理机制,利用中尺度天气预报模式(Weather Research Forecast,WRF)模拟了此次过程,并结合FY-2号C星云图资料,对过程的发生、发展过程进行分析后发现,此次暴雨过程为低层弱低压辐合,同时台风"黑格比"登陆后带来大量水汽,并借助西伸的西太平洋副高源源不断的向四川盆地输送,另外存在来自南方孟加拉湾水汽的持续供应,对流云团形成于地面低压与西伸副高的交界处,并沿着副高边缘由西南向东北移动,雨带分布在副高边缘气压梯度大的地方,模拟结果与观测事实基本相符。利用WRF模式模拟暴雨产生的环流形势,配合卫星云图,能进一步揭示暴雨产生的物理机制,可作为深化暴雨研究的有效手段。

现时预报和甚短期预报

现时预报和甚短期预报天气预报是大气科学的核心，也是气象科学为人类服务的重要手段，在减灾防灾中起着不可缺少的作用。数值天气预报已成为国外天气预报业务中的主要预报工具，正在向系列化方向发展，主要发展趋势是延长预报时效和发展中尺度数值预报。中尺度天气预报主...

大型浅水湖泊高时空分辨率风场特征数值模拟研究:以巢湖为例

【目的】大型浅水湖泊的风场是影响湖泊流场、水体富营养化和藻华运移聚集规律的关键因素之一,仅依托气象站点的观测数据难以有效捕捉湖面风场在空间和时间上的快速变化。为精细刻画湖泊高频变化风场,辨识其时空变化特征,【方法】以巢湖为研究对象,综合利用气象观测数据、全球再分析数据集和地理静态数据,通过中尺度天气预报模式和地理空间分析技术,模拟分析巢湖地区2019年高时空分辨率的风场变化过程。【结果】结果显示:巢湖区域风速由东向西、由南向北、由湖面向陆面逐渐减弱;湖面主导风向为东风和偏东风,主导风速为二级至四级,湖面平均风速在11月最大,12月次之,5月最小,不同季节湖面平均风速由大到小依次为冬季、秋季、夏季和春季。【结论】结果表明:巢湖在白天(夜晚)出现冷(暖)湖效应,其风场在早上6时和夜晚23时出现陆风和湖风转换;西半湖受湖陆风和城市热岛影响显著,在夏季会出现明显的环湖湖风锋,其湖风锋穿透内陆距离约4.7~9 km;东半湖受山谷风影响显著,在东南部山脉以东湖区易形成低风速区,在湖口附近受狭管效应易形成高风速区。通过研究成果可进一步认知巢湖区域风场特征,为巢湖水生态环境治理提供技术支撑。

两种再分析资料和Nudging方法在WRF模式降水模拟中的适用性

采用Grid Nudging(GN)和Spectral Nudging(SN)方法,用再分析资料ERA5和FNL驱动中尺度数值天气预报模式(WRF),探究不同再分析资料和Nudging方法对降水模拟效果的改进效果及机理.对2021年3月15日中国南方地区降水过程设计6组试验进行数值模拟,分析不同试验方案对降水及相关物理量的影响.结果表明,WRF模式能较好地模拟出本次降水事件,进行Nudging驱动后显著提升了降水分布、降水中心落区和降水量的模拟效果.与观测数据综合对比,GN的模拟效果优于SN,尤其是使用ERA5资料结合GN模拟效果最佳,能够准确地模拟出发生在安徽省南部的降水中心以及超过33 mm/d的降水强度.模式结果与两个观测站点记录的降水发生时间和降水强度变化较为一致.GN方法使模式有效提高了西南低空急流的强度,校正了风向,对水汽通量和水汽通量散度的刻画更符合实际情况.

基于WRF模拟的中国西北河谷城市夏季的大气边界层特征

为提高河谷地形气象场的模拟效果,利用第5代再分析资料(ERA5)和全球再分析资料(FNL)作为初始场,以天水市为研究对象,驱动中尺度天气预报模式比较对西北河谷城市边界层模拟的适用性,分析西北河谷城市夏季的大气边界层特征.结果表明, ERA5模拟的天水市主城区近地面温度、近地面风速、风向以及相对湿度与观测值的相关性更好,尤其是近地面风速和风向,分别比FNL模拟的结果提升25.4%和70.0%.天水市主城区的气象场空间分布呈明显的城市热岛效应和山谷风环流,相对开阔的麦积区城市热岛效应更强;白天发生的降水会弱化谷风环流和热岛效应,河谷内及周边风速均较小.天水市主城区夏季近地面温度与风速呈正相关,与相对湿度呈负相关,大气边界层高度呈现明显的日变化,大气层结稳定.

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上 ,建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统 ,对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析 ,研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明 :区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同 ,且不同的物理量在时空的分布也不同 ;动能场的误差主要在边界区上层的流入区 ,感热场的误差在边界区上层 ,水汽的误差在边界区上层的流入区 ;侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差 ,在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重 ,嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关 ;在大小模式物理参数化过程一致的条件下 ,无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。

基于兰州市城市冠层模式的一次降水过程的数值模拟

基于耦合了城市冠层模式(UCM)的中尺度天气预报模式(WRF)的数值模型,模拟分析了兰州市一次对流降水天气过程.探讨了不同云-微物理参数方案和积云对流参数化方案的组合对此次降水过程模拟的影响,对比分析了WRF模式在耦合单层城市冠层前后对城市降水的影响.在不同的参数化方案组合中,此次降水过程风险评分最高的组合是WSM-6方案和G-F方案,其对小雨、中雨和大到暴雨的评分分别为0.50、0.36、0.33.选择此参数化方案,利用耦合UCM的WRF模式模拟降水,结果表明,耦合UCM模式后的降水范围变大,降水量的趋势更接近实况.降水过程中,与单独的WRF模式模拟结果相比,耦合UCM的WRF模式模拟的2 m温度平均偏低1.7℃、2 m高度水汽混合比偏高0.7 g/kg,对流有效位能偏高5 J/kg,增强了降水的有利条件.对比发现城市冠层能够激发出更强的大气对流运动,影响近地面水汽的分布和城市下风向降水的分布.

基于ECMWF模型改正InSAR大气延迟误差的可靠性实验

大气延迟是影响InSAR观测数据质量的最主要因素之一.然而,这一难题一直没有很好的解决办法.近年来,采用气象模型改正InSAR大气延迟误差是一个热门的研究方向,不过其有效性和可推广性还需要一些实验来检验.本文采用青藏高原中部的InSAR数据检验基于ECMWF模型改正InSAR大气延迟误差的有效性.结果显示本实验采用的8幅干涉图中只有3幅在改正后方差减小,而所有数据的平均方差比改正之前更大,证明该模型无法很好地改正该地区InSAR的大气延迟误差.鉴于目前尚无可靠的方法判断何时何地ECMWF模型对InSAR大气延迟误差有改进作用,建议谨慎采用该模型改正大气延迟误差.

集合平方根滤波同化AMSU-A辐射率的观测系统模拟试验

借助观测系统模拟试验,针对晴天和有降水两种天气状况,探究用集合平方根滤波同化卫星辐射率资料来改进中尺度天气预报模式初始场的可行性.试验结果表明:在晴天条件下,同化后的分析场较同化前背景场更加接近于真实场,尤其是对所选AMSU-A第5通道辐射率观测值贡献较大的那些层,如500,700,800 hPa3层位温的分析场相对背景场均方根误差分别减小了26%,15%和42%,同化效果显著.在有降水天气状况下,试验结果在特定的高度层上也表现出一定的正贡献,但总体而言对各气象要素场的改善均不及晴天时明显,说明该种天气类型下的卫星资料同化还有待进一步的研究.

2019年7月10日四川一次暴雨过程的数值模拟与诊断分析

利用探空资料、0.25°ERA-Interim和0.25°FNL再分析资料以及多普勒天气雷达资料,对2019年7月10日发生在四川的一次暴雨过程进行诊断分析,进一步结合中尺度天气预报数值模式进行数值模拟,对观测资料诊断结果进行验证和对比分析.结果表明,四川上空500 hPa由"槽后脊前"转"槽前脊后"的环流形势有利于暴雨区的辐合上升运动;暴雨区及其上下游的冷层云结构强烈不稳定,在西风带作用下持续影响四川盆地;四川盆地充足的水汽和成都区域的水平风向垂直切变有利于上升运动的发展,成为触发此次降水的影响因子;数值模拟试验进一步验证和再现了此次暴雨过程的基本特征,与观测资料的诊断结果一致.

2016年7月长江中下游一次暴雨过程的诊断分析与数值模拟

使用美国国家环境预报中心1°×1°再分析FNL资料,利用中尺度天气预报模式对2016年7月长江中下游地区的一次暴雨过程进行了模拟.对24 h累积的降水模拟量、Cape值、涡度场、相对湿度等有关暴雨诊断分析所需的物理量场进行了分析.选择MICAPS资料作为实况数据,与模拟结果进行分析对比.结果表明,中尺度天气预报模式能较好地模拟此次降水过程,模拟雨带与实际位置大致相同,均在长江中下游,但遗漏了重庆东北部的暴雨及重庆以西地区的降雨,且模拟的雨带范围与实况相比较小,位置有所偏差.有利的不稳定条件、较好的水汽条件、高层辐合、低层辐散的形势为暴雨的发生提供抬升的动力条件,是此次暴雨发生的重要原因.