数值天气预报业务模式现状与展望

20 0 4年是数值天气预报理论提出 10 0周年 ,同时也是数值天气预报业务化应用 5 0周年。经过百年的发展历程 ,数值天气预报学科有了飞跃的发展。特别是最近 10多年来 ,大气科学以及地球科学的研究进展 ,高速度、大容量的巨型计算机及网络系统的快速发展 ,更加快了数值天气预报的发展步伐。文中从模式动力框架、物理过程参数化、模式程序软件等方面对数值天气预报业务模式现状进行了简要综述 ,对存在的问题进行了探讨 ,并对数值天气预报业务模式的未来发展作了展望。当前数值天气预报业务模式发展的特点有 :(1) 2 0世纪 90年代中期以来 ,各国的全球和区域模式水平和垂直分辨率都有明显提高 ,且模式物理过程也同步进行改进 ;数值预报业务模式已进入了大规模并行计算的阶段 ;(2 )主要发达国家和中国都正在致力于研发各自的新业务数值预报模式———非静力 (多尺度 )一体化模式或非静力中尺度模式 ,部分国家的新一代天气 气候一体化数值模式已业务运行 ;(3)业务数值预报模式正在朝着不断完善的方向发展。随着模式分辨率的提高 ,云物理过程、陆面过程和湍流过程、考虑坡度 -坡向因子的辐射过程等在模式中的参数化方案 ,以及模式垂直坐标的选择越来越受重视 ,这些物理过程的描述成为业务数值模式改进的重点和     

两种模式随机扰动方案比较及扰动传播分析

基于我国T213全球集合预报系统,设计了两种模式随机扰动方案,第一种方案对物理过程和动力过程积分总倾向项进行随机扰动(简称STPS),第二种方案仅对参数化的物理过程的积分倾向项进行随机扰动(简称SPPS).将两种方案分别引入模式进行数值试验,评估集合预报效果,分析随机扰动特征及扰动传播机制.结果表明:两种随机扰动方案对T213模式预报变量都产生了明显的影响,垂直方向和水平方向上,扰动值都随着积分时间增加而增长,中高纬地区尤为显著.两种方案的差异是STPS方案预报变量扰动值偏大;SPPS方案预报变量扰动值更为合理,SPPS的扰动大值中心随预报时效增加从低纬向中高纬传播,且总能量偏差具有从小尺度向大尺度传播的特征.与STPS方案相比,SPPS方案的集合预报离散度、集合平均的均方根误差在积分后期明显更有优势,高度场和风场的预报准确性提高,降水量预报技巧也得到明显的改进.表明SPPS方案能更加合理地体现模式物理过程的不确定性,在一定程度上提高集合预报系统的预报能力.     

国外中期数值预报业务模式的性能及发展趋势

作者简单介绍了国内预报员较为熟悉的欧洲中期天气预报中心，美国国家气象中心和日本气象厅三个中期预报模式的性能及预报效果，包括近几年颇为流行的半拉格朗日时间积分方案，物理过程参数化方案的完善和改进，中期数值预报业务模式的发展趋势等。     

国家气象中心T213L31数值预报运行监控方案及预报效果评估

T213L31系统是我国新一代中期数值预报业务系统，该文介绍了该系统的实时业务运行流程，着重阐述了实时运行监控方法的设计和实施。通过对整个运行流程的解析、运行相关信息和异常事件的说明以及功能的介绍，使读者可以对T213L31运行监控和维护方法有一个较完整的认识。文章还对T213L31系统准业务和业务运行期间的预报效果进行了较为全面的检验与评估，结果显示:T213系统较国家气象中心的原数值预报业务系统T106L19的预报效果有了明显改进，可用预报时效延长了约1天。但与世界领先的ECMWF的中期数值预报产品相比还存在一定差距，特别是中期时效的预报差距比较明显，还有待于进一步的改进和提高。     

NMC第二代中期数值预报系统误差的动力诊断

利用国家气象中心第二代中期数值预报模式计算了１月和７月的预报诊断量。计算结果表明,新一代模式在动力外强迫作用、辐射通量和对流参数化等物理过程方面的改进,使该模式的预报比第一代模式有了较大的改善,模式预报的系统误差明显减小。通过对角动量、热量和水汽的经向输送和收支平衡的分析,认为该模式在地形处理、陆面过程、云辐射和积云对流参数化等物理过程还有待进一步改进。     

背景场资料与参数化方案对暴雨预报的影响

利用GRAPES-m eso模式和T213资料,对2007年7月18日发生在我国四川盆地和华东地区一次大暴雨过程进行多组数值试验,以分析侧边界资料、驱动资料的垂直分辨率、模式积分区域、云物理参数及边界参数对GRAPES-m eso模式降水预报影响。试验结果表明:(1)侧边界资料对模式降水预报结果影响较小,驱动GRAPES-m eso的全球模式产品质量提高,降水预报结果越好;(2)驱动资料垂直分辨率的高低对降水预报结果影响较大,分辨率越高,预报能力越强,反之越弱;(3)模式积分区域对降水预报结果也有明显影响,区域越大,降水预报未必总是最好;(4)物理过程和边界参数试验表明,W SM6方案与KF eta方案组合的24小时降水预报与实况更接近。      

背景场资料与参数化方案对暴雨预报的影响

利用GRAPES—meso模式和T213资料,对2007年7月18日发生在我国四川盆地和华东地区一次大暴雨过程进行多组数值试验,以分析侧边界资料、驱动资料的垂直分辨率、模式积分区域、云物理参数及边界参数对GRAPES—nleso模式降水预报影响。试验结果表明：（1）侧边界资料对模式降水预报结果影响较小,驱动GRAPES—meso的全球模式产品质量提高,降水预报结果越好;（2）驱动资料垂直分辨率的高低对降水预报结果影响较大,分辨率越高,预报能力越强,反之越弱;（3）模式积分区域对降水预报结果也有明显影响,区域越大,降水预报未必总是最好;（4）物理过程和边界参数试验表明,WSM6方案与KFeta方案组合的24小时降水预报与实况更接近。     

T213与T639模式热带气旋预报误差对比

应用国家气象中心全球谱模式T213L31(简称T213) 及其升级版本T639L60(简称T639) 对2009—2010年西北太平洋热带气旋数值预报的结果进行对比。结果表明:T213与T639模式24～120 h预报平均距离误差基本相近,但由于T639模式分辨率较高,T639模式的热带气旋强度预报明显好于T213模式。从分类误差来看,T639模式对于西北行登陆及转向热带气旋的路径预报好于T213模式,但对西行及北上热带气旋预报误差偏大。对于异常路径热带气旋预报,T639模式能较好预报环流形势的突然调整,对路径突变的热带气旋预报比T213模式有明显优势;从登陆类热带气旋预报的移向误差来看,T213模式存在东北偏北向系统性偏差,T639模式存在东北偏东向系统性偏差。     

人造台风模型及资料同化对T213L31模式台风路径预报能力的影响

利用2003年台风季节T213L31的12时10天预报分析了国家气象中心全球中期数值预报模式系统T213L31对台风路径的预报能力,并就如何改进其对台风路径的预报能力进行了探讨。结果表明,在台风季节,T213L31模式在近57%的预报中对台风路径有预报,但初始位置误差较大。没有预报的区域主要集中在13～20°N,120°E以东的台风生成较为集中的地方,而此区域恰好不存在常规观测资料。对于目前仍采用OI分析的T213L31中期预报系统,常规观测资料在此区域的匮乏是其在此台风集中生成区预报能力较弱的主要原因。为了改进T213L31对台风路径的预报能力,本文就增加常规观测、加入人造台风模型进行了数值试验。试验结果显示,有限的常规观测对T213L31对台风的预报能力有明显提高。人造台风的加入无疑会改善T213L31在无常规资料区的预报,也会改善T213L31在资料较丰富地区的短期台风路径预报能力(36小时以内预报),而对较长时效预报的影响则有好有坏。     

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。     

T213L31模式热带气旋路径数值预报误差分析

应用国家气象中心的T213L31模式对2006—2009年热带气旋路径数值预报的结果从平均距离误差、距离误差分布、模式系统性偏差、平均全移速误差、模式对背景场的预报偏差进行全面检验分析表明:对于不同走向的热带气旋 (简称TC) 路径预报而言,预报误差最小的是西行路径TC,预报误差最大的是东北行路径TC。按照TC强度进行分类统计发现,TC强度强比强度弱的路径预报平均距离误差小。T213对所有样本的平均预报而言,存在西北偏西向的系统性偏差,不同类型路径TC存在不同的系统性偏差。通过计算平均全移速可以看出,对于西北行、西行、北上类型路径在整个预报时效中移速偏差较小,而对于所有转向类路径移速偏差较大,即偏慢较明显。对T213模式预报2009年TC路径误差较大的个例 (0904,0906,0907号热带气旋) 检验模式对背景场的预报偏差,个例分析表明:模式对中高纬度西风槽预报偏强、对TC环境风场垂直切变预报偏大、对两个相近的TC预报更容易发生藤原效应,这些因素是导致TC路径偏差的主要原因。     

中期数值预报系统T213L31在IBM/SP高性能计算机上的建立

在引进欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的全球谱模式的基础上，通过对原模式的分析改造，首次以分布与共享相结合的方式在国家气象中心IBM/SP高性能计算机上实现了全球谱模式的高效运行。采用调整向量长度、优化程序设计、完善消息传递机制和实现MPI与OpenMP的混合并行编程等方法，减少模式的通信量、计算量和内存的使用量，提高了计算效率。实现了在T213L31分辨率条件下，10天预报可以在3 h之内完成，达到业务对时限的要求。建立了与T213L31全球谱模式相配套的最优插值（OI）并行处理分析系统，解决了由于观测站点在全球不均匀分布所带来的计算负载不均衡问题。在此基础上，实现了T213L31全球资料同化与预报系统并建立了相应的自动作业监控系统。     

THE EFFECTS OF BOGUS TYPHOON AND OBSERVED OCEANIC DATA ON THE ABILITY OF T_(213)L_(31) TO PREDICT TC TRACK

The abilities of typhoon (TC) track prediction by a medium-range forecast model T213L31 at National Meteorological Center are analyzed and its ability to improve its TC forecasts is discussed. The results show that about 57% of the TCs could be predicted by T213L31 but the initial position errors are large.The 43% area without the prediction of TC tracks is concentrated between 13°N and 20°N and east of 120°E and lack of conventional observation data is the main reason for the absence of TC prediction in this area.The adding of bogus TC could improve the ability of TC track prediction when there is no TC vortex in the analysis field, but could only have positive effects on the short-range TC track prediction when there is TC vortex in the T213L31 analysis field.     

辽宁省热带气旋模式预报业务系统

介绍了在MM5模式基础上建立起来的辽宁省热带气旋模式预报业务系统及2005年的预报情况。系统以T213L31产品为背景场和侧边界,初始场中同化了常规探空报、地面报及一些卫星反演资料,模式的初值中还嵌入人造热带气旋进行模式运算。系统每日自动运行2次;模式输出结果经后处理后,编写到通用绘图软件GrADs中,以图形显示,并在沈阳区域气象中心局域网的中尺度数值预报网页上显示。2005年汛期热带气旋预报表明,系统对热带气旋的路径和暴雨的预报效果较好。     

成都区域气象中心业务数值预报产品检验分析

依据国家气象中心T213、T639全球模式、成都区域中心实时运行的AREM、GRAPES和MM5中尺度数值模式预报结果,对2008年5～9月进行了日降水量和2m温度检验。结果表明：（1）模式对昆明、南京、广州、长沙、北京和郑州温度预报优于温江、兰州和拉萨站,其中拉萨站温度预报与实况偏差最大,即模式对我国中部及南部地区温度预报与实况近似程度高于西部地区。（2）东部地区中雨及以上量级降水评分高于西部,西部4个城市中以昆明站评分最高,反映模式对我国西部城市降雨预报能力偏弱。     

不同初始场条件对GRAPES模式数值预报的影响

利用中国新一代数值预报模式GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),分别使用T213 L31及NCEP FNL 6 h间隔的资料作为初始和边界条件,对2005年7月9—10日淮河流域一次致洪暴雨过程进行了个例试验,初步探讨了GRAPES模式的数值预报产品对不同初始场的敏感程度,以及三维变分同化对数值预报结果的可能影响。结果表明,T213和NCEP初始场中存在着差异较大的次天气尺度特征,并由此造成了此后GRAPES模式预报场的差异,且此差异不会随时间消失;同化对GRAPES模式积分结果的影响主要表现在最初的24 h内;模式对此次致洪暴雨过程的暴雨区分布、强度均有一定的模拟能力,但模拟的强暴雨区与实况仍存在着较大差异。由此可知,GRAPES模式的数值预报能力对不同的初始场和侧边界条件存在不同程度的依赖性,初始场的差异决定了模拟结果的差异。     

台风路径数值预报模式的并行化及路径预报误差分析

国家气象中心台风路径数值预报模式经过串行优化及程序并行, 成功地实现了在国产超级计算机神威上的并行运算, 并可满足业务时效要求。基于并行程序及神威机计算平台的台风路径数值预报业务系统于2002年6月30日投入实时运行, 其初估场与侧边界条件从T106L19模式产品升级为T213L31模式产品 (称为基于T213台风预报系统, 原串行系统称为基于T106台风预报系统)。通过对2002年夏秋季台风路径的检验, 总体来看, 基于T213台风预报系统48 h内的平均路径预报误差小于基于T106台风预报系统的路径预报误差。对西行及西北行登陆的台风, 基于T106台风预报系统的48 h预报好于基于T213台风预报系统的预报。对于转向台风而言, 转向后的预报, 基于T213台风预报系统的预报要好于基于T106台风预报系统的预报, 有效地减小了基于T106台风预报系统对转向台风路径预报的系统性误差:即台风转向后预报路径较实况路径偏西。     

2004年主汛期各数值预报模式定量降水预报评估

随着数值预报技术的飞速发展, 模式定量降水预报已成为天气预报业务工作中的主要参考依据。本文对目前在国家气象中心应用的3个业务运行模式T213L31, HLAFS0.25, 华北中尺度模式MM5和德国模式及日本模式的降水预报产品进行了季节空间分布、区域时间序列演变及统计检验, 试图从空间、时间及统计方面对降水预报产品的预报性能进行综合评估。检验结果表明:目前的数值预报模式对短期时效内定量降水预报均具有一定的空间预报能力, 但强降水中心位置有一定的偏差; 从时间序列演变检验来看, 模式对区域强降水过程的发展趋势具有较强的预报能力, 但降水量预报与实况有一定的差距; 从累加统计评分检验结果来看, 模式短期时效的预报性能差别不大, 全球模式在小中雨预报方面有一定优势, 其中日本模式的综合预报性能最好, 大雨以上量级的预报则是国内的模式有一定的优势, 其中华北中尺度MM5模式, T213L31模式各有所长, 但均存在预报量和预报区偏大问题。