全球中期模式升级关键技术研发和预报试验

随着模式分辨率的提高,对地形、海陆分布的描述更加精确,从而对天气和次天气尺度动力学的刻画也更准确,但计算需求和存贮量也将有比较明显的增加。因此,在模式分辨率提高的同时尽可能减少计算和存储量是模式发展的重要方面。文中采用规约线性格点,在高斯格点数和格点分布不变的情况下,把国家气象中心业务全球谱模式的水平分辨率由T213提高到TL319,从而使全球谱模式的计算有效率增加了2.25倍;实现了稳定外插两个时间层的半拉格朗日方案,解决了传统的半拉格朗日方案在计算轨迹中点的速度和发展方程的非线性项时,采用时间的线性外插带来的计算噪音,提高了模式积分的稳定性,从而使模式的积分时间步长从900 s增加到1200 s;在这两个关键技术实现的基础上,实现了TL319模式与业务OI同化方案的耦合,进行了连续1年的滚动试验,并对降水预报和500 hPa形势场预报进行了统计学检验,与现行全球中期业务模式的预报也进行了对比分析。分析结果表明,提高模式谱分辨率后,模式的动力过程保持合理稳定,对东亚地区500 hPa位势高度场的预报性能有所改进,对中雨和大雨量级的降水预报在大部分时效也都有改进,但是小雨预报TS评分略有下降。另外对冬、夏季的两次降水过程的天气学分析表明,TL319L31对天气过程的描绘比T213L31也有一定提高。     

长江上游流域数值预报产品评价分析

使用宜昌市气象局研制的数值预报产品评价分析和客观订正系统,对ECMWF、T213L31模式分别进行预报误差分析和降水主要影响系统预报能力分析。结果表明:ECMWF模式总体误差水平好于T213L31模式,T213L31模式24 h的总体误差水平接近ECMWF 72 h预报;ECMWF、T213L31对影响长江上游流域暴雨的主要天气系统有不同的预报能力,使用宜昌市气象局所研制的订正系统可从一定程度上改善模式预报的输出结果。     

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。     

T639L60全球中期预报系统预报试验和性能评估

在目前国家气象中心全球业务中期谱模式T213L31中成功引入ECMWF的稳定外插半拉格朗日方案,将归约高斯格点转换为线性高斯格点,解决了模式分辨率提高的关键技术.将模式谱分辨率从213波提高到639波,垂直层次从31层提升到60层,模式层顶从10hPa升至0.1hPa.建立T639L60中期同化预报系统,进行连续一年多连续滚动试验,对预报员关心的降水预报和500hPa形势场预报进行了统计学检验,与现行全球中期业务模式进行对比分析.分析结果表明,T639L60中期系统对500hPa位势高度场预报性能比业务有明显改进,东亚地区达1天.从降水客观评分上看,中国地区降水各量级降水的Ts评分均明显提高,在预报偏差(B值)方面,小到大雨预报偏差明显降低,暴雨的预报偏差有所增加.     

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。     

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。     

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。     

数值预报产品检验及误差分析方法简介

1　引言随着气象业务现代化建设的迅速发展,通信条件的改善,可为广大预报员提供的数值预报产品越来越多。国内从1991年北半球数值模式(T42),发展到1997年高分辨率的有限区模式(HLAFS)和全球模式(T213)。国外目前应用欧洲中心全球谱模式(T319L60)、日本谱展开模式(T213L30)。数值预报产品在内容、时效、层次上不断增多,已经成为广大预报员在日常天气预报中的主要参考依据。然而,数值模式的运行由于诸多原因还不十分稳定,数值预报与零场还不吻合,存在一定误差。预报员应用数值预报产品时,对国内或国外数值模式预报的形式场、要素场在时效…     

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。     

2002年7～9月数值预报产品广西降水预报检验

应用高斯权重插值法，以站点方式对2002年后汛期(7～9月)国内外三种数值预报产品如T213全球谱模式、日本细网格模式、广州中尺度模式的降水预报能力进行检验分析。结果表明，这三种数值预报产品对分县分级降水预报均有一定的预报能力，大雨以下：24h预报广州中尺度模式效果最好，而48h效果最好的是日本预报；大雨以上：24h首推日本预报，48h预报T213全球谱模式优于其它。     

国家气象中心新一代业务中期预报模式T213L31的主要特点

T2 1 3中期数值预报系统于 2 0 0 2年 9月 1日起在国家气象中心正式业务化。作为此系统核心的T2 1 3L31全球模式与原业务模式T1 0 6L1 9相比 ,采用了一些新的数值技术 ,包括半拉格朗日时间积分方案的引入 ,采用规约格点 ,分布内存与共享内存并行相结合 ,从而在目前有限的计算机资源条件下 ,能积分高分辨率的模式。更重要的是 ,模式采用了一些更新、具有更真实物理概念的物理过程参数化方案 ,对于辐射方案、次网格尺度地形参数化、积云对流方案、云方案、陆面过程方案都作了很大改进 ,从而克服了许多T1 0 6L1 9模式中存在的问题 ,明显提高了T2 1 3L31模式的预报技巧。     

T213L31全球模式的云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨最级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析.发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多.可分辨尺度降水偏多的可能原因有:土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷.鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进.包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化办案的闭合由"动力型"改为对流有效化能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算.改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生.采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较.结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在.中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效七降水的Ts评分增加,预报偏差降低.     

GRAPES全球模式MPI与OpenMP混合并行方案

随着多核计算技术的发展,基于多核处理器的集群系统逐渐成为主流架构。为适应这种既有分布式又有共享内存的硬件体系架构,使用MPI与OpenMP混合编程模型,可以实现节点间和节点内两级并行,利用消息传递与共享并行处理两种编程方式,MPI用于节点间通信,OpenMP用于节点内并行计算。该文采用MPI与OpenMP混合并行模型,使用区域分解并行和循环并行两种方法,对GRAPES全球模式进行MPI与OpenMP混合并行方案设计和优化。试验结果表明:MPI与OpenMP混合并行方法可以在MPI并行的基础上提高模式的并行度,在计算核数相同的情况下,4个线程内的MPI与OpenMP混合并行方案比单一MPI方案效果好,但在线程数量大于4时,并行效果显著下降。     

T213L31全球中期数值天气预报系统2m温度预报误差源分析

T213L31全球中期数值天气预报系统的2m温度预报存在系统性偏低的问题，对业务预报影响很大，针对这一问题就产生原因对模式系统进行分析定位。经过一系列分析，通过对模式地形高度与观测站地形高度的比较，以及通过采用欧洲中心与国家气象中心的陆面过程初值得到的2m温度的比较，认为2m温度的误差是由于模式地形高度与实际地形高度存在较大差异以及2m温度预报对陆面过程所需的初值如土壤湿度等的敏感而实际采用特定值代替初始场的不科学性造成的。     

Study on Ensemble-Based Forecast of Extremely Heavy Rainfalls in China: Experiments for July 2011 Cases

According to the Anderson-Darling principle, a method for forecast of extremely heavy rainfall (abbreviated as extreme rainfall/precipitation) was developed based on the ensemble forecast data of the T213 global ensemble prediction system (EPS) of the China Meteorological Administration (CMA). Using the T213 forecast precipitation data during 2007-2010 and the observed rainfall data in June-August of 2001-2010, characteristics of the cumulative distribution functions (CDFs) of the observed and the T213 EPS forecast precipitation were analyzed. Accordingly, in the light of the continuous differences of the CDFs between model climate and EPS forecasts, a mathematical model of Extreme Precipitation Forecast Index (EPFI) was established and applied to forecast experiments of several extreme rainfall events in China during 17-31 July 2011. The results show that the EPFI has taken advantage of the tail information of the model climatic CDF and provided agreeable forecasts of extreme rainfalls. The EPFI based on the T213 EPS is useful for issuing early warnings of extreme rainfalls 3-7 days in advance. With extension of the forecast lead time, the EPFI becomes less skillful. The results also demonstrate that the rationality of the model climate CDF was of vital importance to the skill of EPFI.     

对于一次川渝暴雨的ATOVS资料同化数值模拟

利用我国全球中期数值预报业务模式T213L31及其三维变分同化系统SSI,对全球NO—AAl6、17的ATOVS资料进行了同化试验。对2007年7月16-18日发生在川渝地区的一次暴雨过程进行数值模拟研究,对比分析了仅同化常规资料与加入卫星资料后的同化结果及模拟结果。试验表明：T213L31模式加入同化AMSU资料后,可以改善降水预报,尤其是降水强度。通过连续滚动同化卫星资料,模式对于大尺度环境场改进明显,模拟效果更加接近实况。AMSU资料的使用可以改进温度场、湿度场以及风场,对于降水落区的预报有很好的指示意义。同化AMSU资料虽然一定程度上增加了降水区的湿度,但是该区域为一个稳定维持的低湿中心占据,是造成降水落区出现偏差的原因。