湖北省短期温度预报的神经网络方法应用研究

利用欧洲中期天气预报中心的５０ｈＰａ高度场、８５０ｈＰａ温度场,海平面气压场和地面报文资料,采用人工神经网络方法建立了湖北省７６个县（市）气象台站短期最高和最低温度的预报模型。经１９９９年９～１１月试验发现,该模型预报效果较好,特别是在气温较大的强冷空气爆发过程中的预报效果比一般线性预报方法更佳。     

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。     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

一种快速预处理算法及其在浅水波方程中的应用

为了提高数值求解大气方程的计算速度,我们研究了稀疏逼近逆预处理方法及其在数值求解浅水波方程中的应用,这是一种求解大型线性方程组的快速算法,该算法的核心内容是稀疏逼近逆非零元模式的选取。首先导出了一种稀疏逼近逆的非零元模式及其确定方法,然后以浅水方程的差分格式为例,借助于GMRES迭代算法,对这种预处理快速算法应用前后的计算速度进行了比较,发现该快速算法能大幅度提高运算速度。另外,该预处理快速算法简单、易于并行,是一种值得在大气方程中推广应用的方法。     

A forecast error correction method in numerical weather prediction by using recent multiple-time evolution data

The initial value error and the imperfect numerical model are usually considered as error sources of numerical weather prediction (NWP). By using past multi-time observations and model output, this study proposes a method to estimate imperfect numerical model error. This method can be inversely estimated through expressing the model error as a Lagrange interpolation polynomial, while the coefficients of polynomial are determined by past model performance. However, for practical application in the full NWP model, it is necessary to determine the following criteria: (1) the length of past data sufficient for estimation of the model errors, (2) a proper method of estimating the term "model integration with the exact solution" when solving the inverse problem, and (3) the extent to which this scheme is sensitive to the observational errors. In this study, such issues are resolved using a simple linear model, and an advection-diffusion model is applied to discuss the sensitivity of the method to an artificial error source. The results indicate that the forecast errors can be largely reduced using the proposed method if the proper length of past data is chosen. To address the three problems, it is determined that (1) a few data limited by the order of the corrector can be used, (2) trapezoidal approximation can be employed to estimate the "term" in this study; however, a more accurate method should be explored for an operational NWP model, and (3) the correction is sensitive to observational error.     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

PRM标量平流方案在GRAPES全球预报系统中的应用

如何更好地模拟水物质的分布,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。半拉格朗日模式中的标量平流计算要求做到高精度、守恒、正定和保形,但GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 中采用的QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian)平流方案在水汽的强梯度、不连续区域计算精度较低,且不能做到严格守恒。本研究借鉴计算流体力学领域的研究进展,将一个基于分段有理函数的物质平流方案PRM(Piecewise Rational Method)引入GRAPES_GFS中,按照通量形式求解水汽方程,并对极区进行了混合等技术处理。通过一系列理想试验对两种平流方案进行了对比,证明了PRM方案精度较高,特别是在水汽梯度大的区域优势明显,频散、耗散误差较小,守恒、保形性也要好于QMSL方案。通过对GRAPES_GFS中批量预报试验效果的检验,验证了PRM方案可以有效地改进模式对水物质分布的模拟,提高了降水的预报效果,对模式综合预报性能的提升也有明显作用。     

基于并行可扩展科学计算工具集求解GRAPES全球非静力模式亥姆霍兹问题

亥姆霍兹方程是非静力平衡大气模式动力内核的主要计算瓶颈之一,其离散矩阵性态差,采用常见预条件Krylov迭代往往收敛很慢。随着全球非静力平衡大气模式时空分辨率的不断提高,亥姆霍兹方程求解面临求解精度和计算时间的双重困难。在高分辨率情况下,迭代计算步数和计算量剧增,而且很多传统的预条件迭代求解方法不收敛,迫切需要研究收敛性和并行可扩展性兼备的预条件迭代方法。为此,在安腾机群上建立了基于并行可扩展科学计算工具集(PETSc)的GRAPES全球非静力平衡模式亥姆霍兹问题并行解法器对比研究平台,结合高性能预条件库(hypre),完成了对GRAPES在用解法器、代数多重网格、并行不完全LU分解(EUCLID)及加性Schwarz区域分解等一系列克雷洛夫预条件迭代的分析对比。结果显示PETSc结合高性能预条件库的并行方案是解决GRAPES模式三维亥姆霍兹方程高效并行计算的一个有效途径,其中以代数多重网格预条件迭代的性能最突出;并行加速比分析显示,代数多重网格预条件迭代的并行可扩展性明显优于GRAPES现有解法器,更适用于更高精度和较大规模并行计算。     

青藏高原感热加热对7月份大气环流和亚洲夏季风影响的数值试验

根据低纬地区地表温度高、蒸发及降水量大、辐合上升运动剧烈等特点,本文构造了一个正压模式的方程组,提示出影响低纬大气波动的一个重要因素——海表温度SST。研究指出:(1)当SST<25℃时,含蒸发风反馈机制的Rossby波向西传播,当SST>25℃时.含蒸发风反馈机制的Rossby波向东传播。(2)SST的数值越高,空气越潮湿,含蒸发风反馈机制的Rossby波传播速度就越小。当SST超过29℃时,会形成周期为30天的低频振荡。