“中国气象数值预报技术创新研究”项目公开发布成果获得强烈反响

中国气象局预测减灾司和科技发展司于2004年3月5日在中国气象局联合举办了“十五”国家科技攻关计划“中国气象数值预报系统技术创新研究”（GRAPES）阶段成果发布会。中国气象局局长秦大河在会上称赞能取得这样的成绩令人振奋，这不仅仅是中国气象局数值预报创新基地的光荣和骄傲，也是中国气象工作者的骄傲。有关业务和研究单位的代表对GRAPES模式的引进与试用表示了极大兴趣，表示要在本单位业务和研究中试用GRAPES模式。从成果发布至今，全国近50家单位与我中心签定GRAPES业务化试验合同。

灾害天气精细数值预报系统及短期气候集合预测研究

2008年9月24日，中国气象局科技司组织专家组对项目的中期工作进行了检查，专家组认为，项目按计划开展了所有的工作，经费使用合理，任务完成好，阶段成果显著，工作状态良好，一致同意通过中期检查，并建议根据专家组提出的意见，继续完成项目工作计划任务。项目取得的成果及其应用情况如下：

一种新型的适应性观测资料应用对台风预报的影响试验研究

近年来,气象界提出了一个“适应性(或目标)观测(adaptiveortargetingobservation)”的新概念,它是根据数值预报的敏感区在现有的、固定的气象观测网基础上增加的、有目标的特别观测。下投式探空仪(Dropsonde)是适应性观测的重要观测仪器。利用我国新一代数值预报系统GRAPES,初步研究了应用热带气旋适应性观测的下投式探空仪探测资料对台风(2003年杜鹃台风)预报的影响,并进行了敏感性试验。结果表明,数值天气预报中增加下投式探空仪观测资料之后,对台风的移动路径、台风中心位置和强度,以及其它要素的预报都有所改善;敏感性试验还指出,下投式探空仪观测资料的误差结构设置对台风的预报也有明显的影响,该类观测资料在修正背景场的过程中权重并不是越高越好。

陆面过程对2007年淮河流域强降水数值预报的影响分析

基于GRAPES中尺度数值天气预报模式,研究了不同复杂程度陆面过程和不同土壤初始条件对2007年中国夏季淮河流域降水数值预报的影响。重点分析了下垫面非均匀性对造成我国夏季强降水的中小尺度对流系统的启动和发展的影响,探讨了中小尺度对流发生发展中陆气相互作用的可能影响。对2007年7月8日发生在淮河流域的一次对流过程采用两组敏感性试验进行研究,结果表明对流启动对陆面过程有很强的敏感性。Noah陆面模式能合理地模拟出对流的启动,而Slab陆面模式模拟的对流会延迟1～2小时,这与Noah陆面模式能合理描述地表感、潜热通量有关。GLDAS初始土壤资料能更加合理地描述实际土壤温湿的分布状况,有利于更加准确地模拟出对流降水的启动和分布位置。另外,对2007年7月淮河流域的持续性强降水天气过程进行了对比模拟,研究表明:不同复杂程度陆面过程对连续强降水数值预报有明显的影响。使用Noah陆面模式能提高对强降水预报的能力,而且随着模式分辨率的提高,降水的TS评分也在提高,Noah的TS评分总体上高于Slab。

GRAPES研究开发取得持续进展

资料同化系统：在区域三维变分同化系统中增加了SYNOP,SHIP,AIRERSATOB，雷达径向风等观测算子、非线性平衡约束，用NMC方法重新估算了背景误差协方差；建立了区域／全球一体化的三维变分同化框架；开展了EnKF的前沿性研究；研究开发4DVAR系统，完成切线性模式和伴随模式设计、编程，进行了初步调试。主要工作包括以下几个方面：①全球闭合网格点构造与算法设计；②预调水平变换的谱滤波表示；③用NMC方法估计背景误差协方差参数；

河西走廊夏季强沙尘暴数值模拟试验

影响我国的沙尘暴灾害性天气多发生在春季,很少在夏季发生。文章利用我国科学家自主研发的GRAPES-DAM沙尘气溶胶模式对2005年7月一次罕见的影响河西走廊地区的群发性强沙尘暴进行了数值模拟,对夏季小概率强沙尘暴灾害天气的可预报性进行了个例研究。试验结果表明:模式对此次过程的地面大风、沙尘暴的范围、移动等均能做出较好的模拟;对于夏季群发性强沙尘暴过程,基于数值预报方法的沙尘气溶胶模式在天气模式预报准确的条件下,可以对这种小概率事件做出有应用意义的预报结果。

GRAPeS三维变分同化系统的理想试验

文中介绍了一种新的、适合格点模式的三维变分同化方案GRAPeS 3DVAR。该方案采用相互独立的流函数、非平衡速度势函数、非平衡位势和水汽作为分析变量。通过变量变换对目标函数进行预调节 ,不仅避免了直接计算背景误差协方差逆矩阵的困难 ,而且改善了Hessian矩阵的性状 ,提高了收敛速度。采用EOF分解方法 ,将三维分析变量投影到垂直摸态上 ,分解成为二维场 ;水平方向采用数字 (递归 )滤波器代替矩阵运算 ,实现和简化了方案的求解。此外 ,还考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系。理想试验结果表明 ,GRAPeS 3DVAR能够正确地反映多变量之间相互作用关系 ,收敛迅速 。

GRAPES全球三维变分同化系统——基本设计方案与理想试验

中国气象局数值预报研究中心开发了一个全球和区域统一框架的格点三维变分资料同化系统(GRAPES3D-Var)。作者给出全球版本的方案设计,采用单点观测试验检验方案设计的合理性和正确性。全球方案选择流函数、速度势、非平衡高度和相对湿度作为分析求解的控制变量,用线性平衡方程作为质量场和风场的动力约束,通过预调方法解决背景误差协方差矩阵阶数过大和难以求逆的问题,其中垂直变换和物理变换以及观测算子设计等方面与区域方案相同,但预调的水平变换采用球谐函数谱滤波表示背景误差协方差的水平相关模型,避免了递归滤波在高纬和极区因相关尺度过大无法实施的问题。另外,设计了一个使极区插值和差分计算完全闭合的网格以及相应的算法,解决了极点分析问题。单点观测理想试验结果表明,GRAPES 3D-Var系统能够合理给出全球任何地区的分析。

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂,但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距,存在模式误差。在以往的研究中,模式误差往往被忽略,在集合卡尔曼滤波同化系统中,如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差,研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加,而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。

用有限区域风速场准确求解流函数和速度势场的方法

流函数和速度势是气象业务和研究中常用于表述风速的一组变量。用有限区域风速场,使用有限差分方法求解得到的流函数和速度势场重建初始风速场,由于受区域边界的限制往往有明显的偏差。虽然有许多求解方法的研究,但是,至今仍尚未见到一种真正准确的求解计算方案。首先,介绍用Arakawa A网格和D网格分布的有限区域风速场求解流函数和速度势场的一般有限差分计算方法,探讨用它们的解重建风速场产生误差的原因。然后,针对这些原因,对给定的有限区域,通过线性外推初始风速场,扩展求解计算区域,使用协调、一致的有限差分格式方案,准确计算求解区域的边界有旋风速、散度风速和速度势的定解边界条件,以及恰当选择流函数、速度势、涡度和散度等变量的分布网格,设计了用上述两种网格分布的风速场准确求解流函数、速度势场的方案,并对其正确性加以证明,它们可以推广应用于其他Arakawa网格。用实际资料试验同样显示,方案避免了重建风速场误差的出现,与初始风速场相比,全场风速最大偏差精度达到10-12m/s或以上,在计算机精度造成的计算误差影响范围内。本文的研究很好解决了长期以来用有限区域风速场、使用有限差分方法无法准确求解流函数和速度势场的问题。

GRAPES全球非静力大气模式的正规模分析

为分析数值模式动力学框架中不同波动的特性及对数值天气预报模式计算稳定性的影响,文章对GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)全球非静力大气模式进行了正规模分析.首先,建立了静止大气状态下模式的线性化系统,并在适当的边界条件下将线性化系统分解成具有垂直与水平结构方程的本征值、本征函数耦合问题.然后在等温大气条件下,利用耦合问题的数值结果分析得出:GRAPES非静力模式除了有几乎和对应的静力模式一致的向东、向西传播的重力惯性波及向西传播的Rossby波外,还有一个向东、向西传播的声惯性波;特别是,只有当纵横比较大时,非静力模式对重力惯性波才会有显著影响.

关于集合Kalman滤波的理论和方法的发展

随着同化方法的不断的发展,一种新的资料同化方法——集合Kalman滤波正在兴起。简单地回顾了同化方法的发展,探讨了集合Kalman滤波的特点。同时,还介绍了集合Kalman滤波发展的过程以及指出目前所面临的问题和未来的发展趋势。

雷达径向风资料的四维变分同化试验

在MM5四维变分同化系统(MM5 4D-Var)的基础上开发出雷达径向风资料的同化模块,利用改进后的同化系统对2002年7月22日湖北宜昌多普勒雷达的径向风观测资料进行四维变分同化试验,分析雷达径向风资料的同化对中尺度数值模式初始场的调整以及对中尺度强降水模拟的影响。研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了中尺度对流系统低层100 km左右范围内的风场辐合。调整后的风场具有更明显的β中尺度特征。利用14 min的雷达径向风资料可以改进3 h之内的强降水模拟,尤其是对雷达站东南侧强降水的模拟。

相变修正方案在GRAPES模式标量平流中的应用

如何更好地模拟水物质的空间分布和小尺度变化,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。计算机的飞速发展使数值模式的分辨率不断提高,云的显式计算成为可能,这样就要求水物质在平流的过程中必须要做到高精度、守恒、保形。水物质场是正定标量的场,具有空间和时间变化幅度大、存在强梯度甚至不连续的特点,水物质场的合理模拟一直是数值预报中的一个难题。GRAPES模式中的标量平流方案采用PRM分段有理函数方法,比较好地解决了该半拉格朗日模式中水物质平流的高精度、守恒、保形问题,但是当有凝结潜热发生时,由于半拉格朗日平流方案求解上游点时的插值,在云边缘区域会造成虚假的云水,进而导致不合理的相变过程。为了解决以上问题,本研究在GRAPES模式中PRM平流方案的基础上,加入了非线性半拉格朗日相变潜热的修正方案,旨在改进GRAPES模式对水物质平流问题的模拟,提高降水的预报效果。该研究通过理想试验,验证了非线性半拉格朗日相变修正方案可以有效地限制云边缘由于半拉格朗日平流方案插值产生的虚假相变;然后将该方案加入GRAPES模式的PRM水物质平流方案中,通过实际个例模拟验证了加入非线性半拉格朗日方案以后,模式可以更好地模拟水物质的平流过程,且对云中热力场及水物质分布地模拟更加合理,同时预报出的雨带中心区与实况更加符合。

GRAPES业务化应用

GRAPES_meso系统已在国家气象中心、上海台风研究所、广州热带海洋气象研究所进行了初步的业务化应用试验，经历了夏季台风暴雨预报应用试验，显示了GRAPES_meso系统的一定模拟能力和应用前景，同时也发现了系统中有待改进的问题，为进一步完善提高系统的性能提供了很好的参考和具体思路。与此同时，全国已有近50家单位与数值预报研究中心签订了GRAPES应用试验合同，这些单位涉及气象、民航、大专院校、科研院所及军队单位等。

GRAPES全球系统的研发进展

2007年7月始，中国气象科学研究院数值预报研究中心在“十五”攻关成果的基础上研发了运行稳定、结果合理的GRAPES全球预报系统1．0版本（简称GRAPES_GFS1．0）。2009年3月，该系统通过了中国气象局预测减灾司组织的准业务化运行专家评审，已批准投入准业务运行。这是我国完全自主开发的全球预报系统，标志着我周全球数值预报迈向了自主创新、可持续发展的道路。

卫星微波遥感受水成物影响及其敏感度分析研究

对卫星微波遥感水成物辐射效应的理解在云参数反演以及数值预报中使用受云和降水影响卫星资料等诸多应用中都是十分重要的。使用快速辐射传输模式CRTM,通过中尺度数值模式WRF预报输出的水成物信息,分析了云水、雨水、冰、雪和霰5类水成物对卫星微波遥感的影响及水成物辐射效应给卫星微波观测计算带来的误差特征,设计敏感性试验研究了卫星微波遥感对水成物含量、有效粒子半径和垂直分布层次的敏感度。结果表明:卫星微波遥感在多个探测频率上受水成物的影响较大,云水和雨水的影响主要以增温为主,雨水的影响幅度要大于云水,在影响最大的AMSUA 2通道,云水和雨水的增温分别可达到8K和17K左右。冰、雪和霰散射效应对卫星微波遥感的影响则主要以降温为主;相比之下,霰的影响量级最大,雪次之,两种水成物对微波遥感影响最大的通道为AMUSB的2通道,可达到-18K和-9K左右,冰的作用微乎其微。卫星微波遥感探测通道对水成物含量的敏感与受水成物辐射效应影响对应一致。卫星微波遥感不受云水和冰水粒子有效半径变化的影响,对雨、雪和霰大降水粒子的有效粒子半径较为敏感。同时,敏感性和影响程度随探测频率的不同呈现出影响的复杂性。此外,卫星微波探测对水成物垂直分布层次的敏感性表现为对水成物敏感探测通道的变化,其中AMSUB 3~5通道对高层水物质,包括冰、雪和霰垂直廓线的变化最为敏感。

GOS下集合预报网格工作流程系统设计

为解决集合预报因扰动产生的多样本模式预报计算量巨大问题,充分利用分布异地的网络高性能资源,基于国家网格操作系统(GOS),在门户中间件Gridshpere之上设计并实现了一种适合于集合预报应用系统的网格工作流系统.该系统实现了包括应用程序的服务封装功能,应用服务执行的节点资源动态绑定功能,应用服务之间的数据/控制相关管理功能、重启容错功能、流程监控功能等,已成功应用到集合预报应用网格门户系统,实践证明系统切实可行.

GRAPES变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化

变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料,使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能.各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子,观测算子给出了大气状态物理量和观测物理量之间的确定映射关系.详细介绍了GRAPES-3DVar同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现,包括系统中不同选择的模式变量所对应的空间插值、直接同化卫星辐射率观测的物理量变换和质量控制等观测算子的各个组成部分.之后,考虑实际卫星辐射率资料,进行了应用试验.为此使用NOAA17 AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料,设计了两个同化试验方案.根据试验结果能够在清楚的物理意义上理解和反映GRAPES-3DVar系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果.