T639全球模式的台风初始化方案升级试验

由于洋面上缺少有效的台风观测资料,台风初始化对全球数值预报业务模式而言,仍然是一个悬而未决的问题。国家气象中心自从2009年将T639全球数值预报系统投入业务运行以来,应用了一套完整可行的台风初始化方案,其技术路线是在台风刚发生时的预报时刻,在背景场嵌入人造bogus涡旋;而在后续的循环滚动预报时刻,采取涡旋重定位和涡旋调整技术方案;因此,第一个预报时刻的涡旋形成技术直接影响到后续时刻的台风涡旋质量乃至预报效果。但是,人造bogus涡旋主要依据统计的经验模型建立,其结构与全球数值模式的动力学、物理学属性并不匹配。基于国家气象中心T639全球资料分析同化-预报循环系统,一套升级版的台风初始化方案被发展了起来,与业务方案的主要区别在于升级方案利用资料同化技术来形成初始涡旋而不是直接嵌入人造bogus涡旋;这在很大程度上减少了人为主观因素对台风初始结构的影响,而更多地是依靠变分资料同化来协调约束产生三维空间的涡旋环流,这样产生的涡旋环流不但与周围环境场比较协调,而且与模式的动力学、物理学属性也比较匹配。应用新方案,本文对生成于西北太平洋2011-2012年27个台风进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风初始涡旋环流结构方面有着不错的表现,相比于业务使用的方案而言,新方案台风路径平均预报误差有了不错幅度的降低,2~5 d预报平均路径误差普遍降低了3%~15%。     

欧洲ECWMF模式与我国T213模式夏季预报能力的对比分析检验

T213 L31模式(简称T213)是中国国家气象中心在T106L19谱模式的基础上建成的第四代全球中期数值天气预报系统,它于2002年9月1日起投入业务使用。本文根据世界气象组织(WMO)基本系统委员会(CBS)1985年特别会议推荐的数值预报标准化检验方案,采用欧洲中期数值预报模式ECWMF和国家气象中心T213数值预报模式的500 hPa位势高度、850 hPa温度预报格点资料和客观分析实况格点资料,对东亚区域2002年和2003年夏季时段内两种模式的预报能力进行对比分析检验。所得结果表明,ECWMF预报的环流场中的低压槽在102°E以东的我国中东部(102°E以西的我国西部)比实况值偏弱(偏强),高压脊偏强(偏弱);而在我国的大多数地区,T213模式预报的低压槽偏强,高压脊偏弱。     

单站短期降水预报

这种方案有价值的特征之一是,一有所选站点的观测值,马上就可以作出预报。不象数值动力天气预报漠式那样需要3个多小时去收集和分析数据,把模式置于初始状态,然后才能作出预报。此外,象 MOS 一类可用的统计方法也需要首先完成数值天气预报模式。人们已经指出,马尔柯夫(MarKov)模式可以作为使用少量现有资料而迅速得到     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA（the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

2002年西北太平洋和南海热带气旋路径主客观预报评价

利用目前中央气象台热带气旋路径实时业务预报中使用的各种主客观预报产品资料，对2002年西北太平洋和南海热带气旋路径实时业务预报中的主客观预报进行对比分析检验。结果显示：虽然在整体上主观预报要优于客观模式的结果，但客观模式的预报能力已接近主观预报，有时甚至还好于主观预报，特别是48小时以上时效的客观模式较主观预报具有一定的优势；而在客观模式中，全球模式优于台风模式；热带气旋路径数值模式产品的使用对提高热带气旋路径业务预报水平具有十分重要的作用。     

海洋垂直混合对中尺度海气浪耦合模式预报效果的敏感性试验

为了比较两个不同的海洋垂直混合参数化方案在中尺度海气浪耦合模式数值预报中的效果,采用军队T₇₉₉全球预报系统和西北太平洋海洋预报系统的预报场资料驱动区域中尺度海气浪耦合模式,针对西北太平洋在2014年9月7—10日和17—20日的大气和海洋要素场进行数值回报试验,并将同期台风观测资料、NCEP再分析资料以及NOAA海表面温度数据各自与模式结果进行比较。结果表明,在无台风天气下使用GLS-ε方案对大气要素的预报效果更好,而MY2.5方案在台风天气影响下表现更好,同时其在连续8天的预报中无溢出现象,较GLS-ε方案稳定性更好;台风影响区域的海表面温度对MY2.5方案更敏感;台风天气过程中,MY2.5方案引起的海洋上层温度混合更强烈。      

T_(63)数值预报产品在逐日最低温度预报试验中的运用

随着数值模式的升级，数值预报产品越来越具可用性，它不仅为业务预报提供了定量化的参考，而且弥补了资料在某些区域和某时次的空缺；数值预报模式还可以提供大量的物理量，有助于天气分析和预报。因此，数值预报产品越来越受预报员欢迎，但是由于数值预报模式提供的产品很多，如何利用好这些产品就成为一个重要的课题，数值预报产品的释用研究因而愈显重要。目前大量的预报中多采用PPM和MOS这两种统计释用方法。PPM是用过去的因子实测资料和预报量建立统计关系，而后用数值预报输出的因子资料代人方程中得到预报值，这样处理的缺点是…     

GRAPES区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

超强台风“梅花”(1109号)的转向原因与预报分析

使用高空探测资料、FY-2C卫星云图、CIMSS气象卫星云图分析资料、历年台风路径、NCEP再分析资料,以及欧洲气象中心全球模式(EC)、日本气象厅全球模式(JMA)、国家气象中心全球模式(T639)、上海台风模式(SHTM)等预报资料,基于对2011年第9号台风"梅花"路径以及台风相似路径的预报等,分析影响台风"梅花"移动路径的环境系统演变,从中找出影响台风"梅花"移动转向的关键系统,分析和检验各数值模式对台风路径预报的结果;同时,研究台风路径相似预报方法。结果表明,位于日本的副热带高压南伸并与"梅花"东南侧的弱反气旋打通,引导气流中偏南风分量逐渐加大是"梅花"路径转向以致不在我国登陆的关键点;对数值模式预报的路径,应根据实况天气形势演变订正其预报误差;根据前期路径选多个关键区找台风相似路径更具参考性。     

Design and test of an improved scheme for global spectral model with reduced truncation error

An improved scheme of spectral model has been investigated in this paper. Through the introduction of a reference atmosphere, prognostic variables become smoother on the tilled sigma-surface over mountains or a frontal zone, and thus truncation errors are reduced. As a result, the problems about Gibbs waves and negative value of model topography on the sea, which are encountered in the current spectral model in the world, can be solved by the improved scheme. For comparison we have performed the numerical integrations of barotropic and baroclinic Rossby-Haurwitz waves, as well as the prediction of real cases with the improved scheme and the current scheme of spectral model. These results show that the scheme presented in the paper is better than the current scheme of spectral model.     

AN IMPROVED SEMI-IMPLICIT TIME DIFFERENCE SCHEME OF SPECTRAL MODEL AND NUMERICAL APPLICATIONS

In fact,the popular semi-implicit time difference scheme of spectral model still includes someimportant linear terms using time explicit difference scheme,and the major terms are directlyrelated to fast internal-and external-gravity waves in the atmospheric forecasting equation.Additionally,due to using time difference on two terms at different time.the popular schemeartificially introduces unbalance between pressure gradient force and Coriolis force terms whilenumerically computing their small difference between large quantities.According to thecomputational stability analysis conducted to the linear term time difference scheme in simpleharmonic motion equation,one improved semi-implicit time difference scheme is also designed inour study.By adopting a kind of revised time-explicit-difference scheme to these linear terms thatstill included in spectral model governing equations,the defect of spectral model which only partlyusing semi-implicit integrating scheme can be overcome effectively.Moreover,besides all spectralcoefficients of prognostic equations,especially of Helmholtz divergence equation,can be workedout without any numerical iteration,the time-step (computation stability) can also be enlarged(enhanced) by properly introducing an adjustable coefficient.     

AN IMPROVED SEMI-IMPLICIT TIME DIFFERENCE SCHEME OF SPECTRAL MODEL AND NUMERICAL APPLICATIONS*

In fact,the popular semi-implicit time difference scheme of spectral model still includes some important linear terms using time explicit difference scheme,and the major terms are directly related to fast internal-and external-gravity waves in the atmospheric forecasting equation.Additionally,due to using time difference on two terms at different time.the popular schemear tificially introduces unbalance between pressure gradient force and Coriolis force terms while numerically computing their small difference between large quantities.According to the computational stability analysis conducted to the linear term time difference scheme in simple harmonic motion equation,one improved semi-implicit time difference scheme is also designed in our study.By adopting a kind of revised time-explicit-difference scheme to these linear terms that still included in spectral model governing equations,the defect of spectral model which only partlyusing semi-implicit integrating scheme can be overcome effectively.Moreover,besides all spectral coefficients of prognostic equations,especially of Helmholtz divergence equation,can be worked out without any numerical iteration,the time-step (computation stability) can also be enlarged (enhanced) by properly introducing an adjustable coefficient.     

参考大气在中期天气预报和气候模拟中的应用

本文概述了根据应用参考大气概念提出的参考大气谱模式计算格式（或称静力扣除法）在国内外一些气象机构的中期天气预报、后处理和四维同化、以及气候模拟中的应用。计算表明，这种参考大气谱模式计算格式，能有效的减少截谱误差，明显地改进中期天气预报和气候模拟。     

大气横波型扰动连续谱的结构

采用数值方法计算了当基本气流有垂直线性切变、 层结参数为常值时横波型扰动的谱点和谱函数, 并将数值计算的结果与理论分析作了对照和讨论。当三支波动连续谱区相互不重叠时该计算结果与理论分析完全一致, 但当发生连续谱区重叠时则须采用谱函数重组的方法来得到连续谱的结构。重组的基本原则是在波谱重叠区对计算得到的谱函数作预处理后, 再对频率相邻的谱点和谱函数进行滑动平均, 并将该滑动平均后的结果作为重组后的谱点和谱函数。分析该重组后的谱函数可知, 此时扰动结构呈现涡旋－重力惯性混合波的形式, 出现了新波型。在连续谱三波重叠区域, 该混合波的谱函数在对流层中层有涡旋波的临界层并体现了涡旋波的性质, 在对流层的上、 下层则分别有顺、 逆传重力惯性波的临界层并体现了重力惯性波的性质。     

异模式嵌套作中期数值预报的试验

利用一个全球谱模式和一个有限区域细网格模式，作了异模式嵌套的初步试验。对异模式嵌套的方案流程，细网格模式边界值晚新的时间间隔及细网格模式的起步时间作了初步研究，发现无论采用物理量本身还是其倾向值作衔接，效果均不错，边界值更值的时间间隔既不宜太长，也不宜太短，粗细网格同时起步或用粗网格模式１２小时的预报场作为细网格模式匠初始场，两者预报的结果基本一致。     

大气环流数值模式的一种并行化方案

从一般计算机并行计算理论出发,结合大气科学模式的特点,总结出一套对数值模式适用的并行化编程方案,而且提出了并行计算过程中应该注意的一些问题.利用文中提到的方案,可以帮助刚开始接触并行计算的模式编程人员快速完成串行数值模式的并行编程.最后,以一个串行的大气环流模式SAMIL并行化编程作为实例,对其并行计算过程和并行计算效率进行了描述和分析.     

Fundamental Framework and Experiments of the Third Generation of IAP/LASG World Ocean General Circulation Model

1.IntroductionThefirstbaroclinicoceanicgeneralcirculationmodel(OGCM)developedattheStateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics(LASG),InstituteofAtmosphericPhysics(IAP)isafour--layermodelwithitshorizontalresol...     

The Application of Flux-Form Semi-Lagrangian Transport Scheme in a Spectral Atmosphere Model

A flux-form semi-Lagrangian transport scheme(FFSL) was implemented in a spectral atmospheric GCM developed and used at IAP/LASG.Idealized numerical experiments show that the scheme is good at shape preserving with less dissipation and dispersion,in comparison with other conventional schemes.Importantly,FFSL can automatically maintain the positive definition of the transported tracers,which was an underlying problem in the previous spectral composite method(SCM).To comprehensively investigate the impact of FFSL on GCM results,we conducted sensitive experiments.Three main improvements resulted:first,rainfall simulation in both distribution and intensity was notably improved,which led to an improvement in precipitation frequency.Second,the dry bias in the lower troposphere was significantly reduced compared with SCM simulations.Third,according to the Taylor diagram,the FFSL scheme yields simulations that are superior to those using the SCM:a higher correlation between model output and observation data was achieved with the FFSL scheme,especially for humidity in lower troposphere.However,the moist bias in the middle and upper troposphere was more pronounced with the FFSL scheme.This bias led to an over-simulation of precipitable water in comparison with reanalysis data.Possible explanations,as well as solutions,are discussed herein.     

THE SENSITIVITY OF THE NUMERICAL SIMULATION TO OROGRAPHY SPECIFICATION IN THE LOWRESOLUTION SPECTRAL MODEL－PART II: IMPACT OF THE SMOOTHED OROGRAPHY AND RIPPLES ON SIMULATIONS

In order to investigate the impact of the smoothed orography and the spurious orographic ripples on simu-lations in the low-resolution spectral model, three different numerical tests, that is, the unsmoothed orography scheme, the smoothed orography scheme and non-ripples scheme are performed. In this paper, the model used by us is the same as Part I except for orographic specification.The results from simulations indicate that, as far as the climatic simulation is concerned, some aspects of the simulated stationary disturbances, zonal and meridional wind, temperature and precipitation in the low-resolu-tion spectral model with properly smoothed mountains are significantly improved, especially in winter hemis-phere.The deep ripples in the model with the unsmoothed orography produce spurious high pressure regions at the surface with subsidence, and suppress rainfall, causing an unrealistic splitting of the precipitation area in northern winter and summer. Removal of tbe deep ripples by using the special procedure for smoothing topog-raphy allows a strong upward motion in the ripple area with heavy rainfall, eliminating the unrelistic split in the precipitation area.