GRAPES全球/区域集合预报系统10年发展回顾及展望

较系统地概述了中国气象局全球/区域集合预报系统及描述模式初值和模式自身不确定性的集合预报扰动技术发展历程,回顾了GRAPES(Global/Regional Assimilation Pr Ediction System)全球集合预报的奇异向量初值扰动方法、GRAPES区域集合预报的集合变换卡尔曼滤波初值扰动方法和多尺度混合初值扰动方法、GRAPES全球/区域集合预报模式不确定性的随机物理过程倾向项扰动方法和动能后向散射随机补偿方法等研究成果,介绍了GRAPES全球/区域集合预报业务系统构建参数设置和预报性能,最后分析了GRAPES全球/区域集合预报中存在的问题,展望了未来发展方向。     

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。      

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。     

台风集合预报研究进展

台风数值预报是防台减灾的关键,而集合预报是体现和减少数值预报不确定性的常用方法。本文对近年来台风集合预报方法的研究进展进行了梳理和总结,涉及初值集合扰动、模式扰动技术以及基于统计的台风集合预报后处理技术。对全球几个主要集合预报系统的发展及我国的区域台风集合预报系统做了回顾。最后,在回顾的基础上,讨论和提出了关于台风集合预报仍存在的问题及未来可能的研究方向。     

2012年汛期华南中尺度模式与日本模式的降水预报评估分析

采用累加降水量级检验、降水空间分布和时间演变以及天气系统分类等方法,对广东2012年汛期GRAPES华南中尺度模式和日本气象厅全球谱模式(JMA GSM,以下简称JMA)降水预报产品进行分析评估,结果表明:两个模式对小雨预报能力相当,对于中雨、大雨和暴雨GRAPES预报效果好于JMA;两个模式对广东雨带分布预报相反,GRAPES降水值随着预报时效的增加而增加;两个模式对广东较大降水过程的发展趋势预报基本准确, GRAPES降水预报以偏大为主,JMA以偏小为主;将汛期较大的降水过程按照其主导天气系统分为6类,GRAPES对其中5种类型降水预报效果好于JMA,两个模式对台风暴雨预报效果最好,对回流暴雨预报相对较差。      

台风涡旋循环初始化方法及其在GRAPES-TCM中的应用

由于观测资料的缺乏,全球数值模式中台风涡旋一般较弱.但在区域数值模式中由于能使用更高的分辨率,采用适合台风的物理过程计算方案,因此区域模式中的台风涡旋能得到更好的发展.通常情况下,由于区域模式每次预报都使用全球模式的预报结果作为背景场,因此在区域模式中得到发展的台风涡旋并不能出现在下一次预报的初始场中.本研究结合BDA和涡旋重定位方法,采用MC-3DVar技术将台风涡旋初始化与资料同化技术结合起来,提出了循环初始化技术.在该技术中,提取区域模式6 h预报的台风涡旋周围的廓线资料,并根据台风观测位置将这些廓线资料平移到正确位置进行同化,从而使得台风涡旋在区域模式中得到循环发展.个例试验的结果表明循环初始化方案能更准确地刻画初始台风的强度和结构,相比控制试验,其初始台风强度更接近实况,结构更为合理,而且与观测更为接近,相应的,台风路径和强度预报也有很大的改善.对超强台风"蔷薇"的22次预报的总体结果表明,相对控制试验,循环初始化方案使得试验的总体路径预报距离误差从24 h的113 km降低到89 km,从48 h的188 km降低到184 km.另一方面,循环初始化方案对强度预报也有很大改善,24 h中心气压均方根误差从控制试验的32 hPa降到22 hPa.2009年汛期开始,以循环初始化方案为基础的GRAPES-TCM投入准业务试验,在对2009年2、3、4和6号热带气旋的准业务运行的预报结果的分析表明,新的方案较之采用涡旋重定位的GRAPES-TCM业务系统在路径和强度预报能力方面均有较大改善.     

新一代数值预报系统GRAPES研究进展

中国气象科学研究院 (灾害天气国家重点实验室) 自2000年起, 先后在科技部“973”重大基础项目“我国重大天气灾害形成机理和预测理论研究”和“十五”重点攻关项目“中国气象数值预报系统技术创新研究”支持下, 主持承担了中国气象局新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 的研究开发, 围绕着资料同化、模式动力框架、物理过程、大型软件工程等核心技术开展了自主创新研究, 取得了非静力中尺度模式、三维变分资料同化、标准化、模块化、并行化模式程序软件等方面的突出成果, 部分成果已在业务上得到了应用, 显示了良好的技术性能和业务发展潜力。GRAPES系统是完全依靠中国科学家的力量自主研究发展的、先进的新一代数值预报系统。该文简要介绍GRAPES的研究内容、主要研究进展和初步应用, 以及未来发展的初步计划。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

GRAPES与日本模式对东莞单站预报效果的对比

利用统计检验方法,对2011年前汛期(4～6月)GRAPES区域中尺度模式与日本GSM全球谱模式东莞单站的逐日降水和气温预报进行定量检验和对比。结果表明:降水预报GRAPES区域中尺度模式略优于日本模式;对于前汛期由锋面低槽和季风槽引起的明显降水过程,GRAPES区域中尺度模式预报好于日本模式,且两个模式都对锋面低槽降水预报优于各自对季风槽降水预报;对日最高气温的预报,日本模式比GRAPES区域中尺度模式表现的更加稳定,对日最低气温的预报,日本模式具有较好的参考性。     

GRAPES模式对2005年登陆强台风预报检验分析

针对2005年4个登陆强台风,在台风移动路径、登陆时间、地点、强度等方面,对GRAPES模式的预报能力进行检验评价, 并进行了误差原因分析。检验结果显示,GRAPES 模式台风中心位置预报24 h平均误差131 km,48 h平均误差252 km。模式预报台风登陆的时间、地点接近实况,预报比较准确;台风登陆时的强度预报偏弱。模式48 h预报准确性略低于24 h。误差原因分析表明,需要加强对非常规观测资料的同化应用,改进模式初始条件;提高模式分辨率,使得模式对中小尺度系统的预报模拟能力增强;改进模式地形的精细处理方法,提高模式对地形影响涡旋移动的模拟能力。     

GRAPES全球模式的误差评估和订正

以欧洲中期预报中心的ERA-interim再分析资料为参考,对GRAPES全球模式的数值预报结果误差进行了评估,并运用基于历史资料的模式距平积分订正（ANO）方法,对数值预报结果进行了订正试验,检验了ANO方法对GRAPES模式全球中期天气预报的订正改进效果。对1984~2014逐年7月15~24日10天的预报结果订正前后对比分析表明,ANO方法对不同区域位势高度、温度等要素预报订正效果明显,31个个例200 hPa位势高度一周预报距平相关系数平均提高0.05、均方根误差减少12 gpm。其它各层误差订正也显示类似结果,验证了ANO方法对提高GRAPES全球模式10天数值天气预报技巧的有效性,并与MOS（Model Output Statistics）方法对比,更便利、更经济,具有更好的可操作性以及业务预报应用能力。     

GRAPES全球三维变分同化系统的检验与诊断

中国气象局数值预报中心新近升级的GRAPES全球三维变分同化系统的大气基本状态变量在物理属性与定义的网格和坐标上与预报模式保持一致,是一个完全针对GRAPES预报模式的同化系统。该系统不仅有利于减小分析误差,也是构建GRAPES四维变分同化系统的基本环节之一。该文通过与观测资料的对比、与国际其他业务中心分析场的对比,以及中期数值预报的检验,对新的GRAPES全球三维变分同化系统性能进行较全面讨论,并通过对这一系统的检验,探索资料同化系统性能的检验方法,尤其是观测资料同化效果的定量评价方法。诊断结果表明:在宏观特征上,GRAPES变分同化系统的分析场与欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预测中心的分析场十分相似, 但细节上仍有差别。这些差别主要源自GRAPES同化系统中探空、地面报、掩星以及飞机报观测的贡献偏大,而卫星垂直探测仪观测资料的作用尚未充分发挥。从探测单要素来讲,风及湿度观测的作用发挥不够。此外,青藏高原周围地区、模式高层及赤道地区分析场偏差较大,它们与模式地形及高层的处理等有关系,这些问题有待进一步改进。     

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。     

基于集合预报的台风“利奇马”登陆后远距离暴雨预报的敏感性分析

2019年第9号台风“利奇马”在8月10日登陆后引发了远距离大范围的暴雨,本文利用ECMWF(EC)和GRAPES全球集合预报模式等资料对暴雨短期预报的误差及原因进行了分析。此次台风远距离暴雨主要集中在8月10日夜间的山东中部地区,EC集合预报对该区域的降水量预报效果总体优于GRAPES集合预报。集合敏感性分析可以识别出和预报变量高相关(敏感)的天气系统,结果表明山东区域平均降水量对同期500 hPa副高、台风西北侧海平面气压和山东北部低层温度较为敏感,而对流层高层的高度及经向风存在更大范围的敏感区。根据暴雨预报TS评分选取EC集合预报成员作为优势组和劣势组,结果表明优势组预报成员表现为山东上空300 hPa低槽前倾,北侧高空偏南急流更强,同时配合低层台风外围偏东风急流,形成高层辐散、低层辐合的有利条件。另外,优势组预报的中纬度低层冷空气和斜压锋区更强,导致优势组在山东中部预报出暴雨,更加接近于实况。     

高分辨率模式雷达回波预报能力分析

利用2018年7—8月GRAPES_3 km、东北短临(WRFRUC)高分辨率模式综合雷达回波预报数据和辽宁省SWAN雷达组合反射率(MCR)实况,基于邻域法FSS评分指数,分析模式在台风北上和副热带高压边缘暴雨过程中的雷达回波预报能力。结果表明:两家模式在不同降水过程中对小阈值雷达回波有较好的预报技巧,随着回波量级增大,模式预报FSS逐渐减小,雷达回波55 dBz时,FSS甚至为0。当邻域半径是3时,35 dBz以下的回波预报中GRAPES模式在台风北上暴雨中的预报技巧低于副热带高压边缘,35 dBz则相反。WRFRUC模式始终表现为台风北上暴雨中预报较好。当邻域半径9时,WRFRUC模式在台风暴雨中的FSS评分高于GRAPES模式,GRAPES模式在副热带高压暴雨中的FSS评分始终高于WRFRUC模式。GRAPES和WRFRUC模式的最大FSS评分技巧均出现在邻域半径是11时,分别为0.239和0.195。GRAPES模式中FSS评分在12 h逐小时预报中前3个时次较强,WRFRUC模式则表现为中间时次强,两头弱。     

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。     

2004年汛期(5～9月)主客观降水预报检验

随着气象事业的发展，天气预报的质量越来越依赖于数值预报产品的性能。预报产品检验是评价预报质量和提高预报水平的有效手段。针对2004年汛期（5～9月）中央气象台预报员及T213、HLAFS25、MM5、GRAPES、日本及德国等国内外数值预报模式短期时效的降水预报做了详细的统计学检验。检验结果表明，对于汛期平均而言，各模式与预报员的小雨预报较好，随降水量级的增加TS评分迅速下降，国内外数值预报模式之间降水预报水平差别不大，预报员与模式相比水平略高；但对于过程预报而言，过程不同，各模式和预报员的表现不同，预报员和MM5对河南暴雨预报较好；GRAPES和日本模式对台风暴雨预报略好；T213对于四川东部暴雨的大量级降水预报较好；无论是预报员，还是数值预报模式，北京暴雨的预报是一个典型的失败个例。同时，我们也发现检验系统存在一些问题，有待今后逐步改进。     

区域增强模式数值预报系统及其性能

介绍一个新的中尺度模式业务数值预报系统，即区域增强模式数值预报系统，该系统具有较高的分辨率，并能在广州区域气象中心现有条件下进行实时业务预报。大量准业务预报试验表明，该系统对影响华南的种类主要大气过程、尤其是台风和前汛期暴雨等过程有较强的预报能力。对１９９３、１９９４、１９９５年所有影响华南的台风过程的预报检验其降水邓产分明显高于国家气象中心降水预报模式等大尺度模式的预报，同时，台风路径的预报误差     

辐射方案对GRAPES全球模式的影响

辐射过程是中期数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。本文针对GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 全球模式非静力半隐式半拉格朗日的特点, 进行了不同辐射方案的敏感性比较试验, 以期找到一个适合于GRAPES全球模式的辐射方案。用到的方案包括WRF模式中的RRTM长波辐射方案、 NASA的Goddard短波辐射方案以及ECMWF的长短波辐射方案。试验结果表明, ECMWF的辐射方案更适合于GRAPES模式, 30天平均的北半球500 hPa高度场距平相关系数较WRF的辐射方案提高了近2%。另外, 针对实际运行中存在的辐射计算不稳定问题, 对辐射方案进行了气压订正和温度订正, 并对2005年7月影响我国的海棠台风进行了模拟试验, 气压订正后的120小时模式预报在对副热带高压和台风的描述上更接近于分析, 可用预报时效也有了明显提高。     

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。