高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。     

基于高分辨率中尺度气象模式的实际雷暴过程的数值模拟试验

雷暴数值预报的实际应用离我们还有多远？本文对此进行了尝试, 即利用一个复杂的高分辨率中尺度气象模式驱动一个三维雷电模式, 在只采用常规气象观测资料的条件下, 对北京的一次实际雷暴过程进行模拟试验, 分析了雷暴云的宏观动力、 微物理过程及电结构的时空变化特征以及其可能的相互作用机制。结果表明: 利用高分辨中尺度模式预报出的三维气象场作为雷电模式的初始场, 完全可以不需添加虚假的扰动来触发雷暴云的发展, 高分辨中尺度模式的预报场本身所包含的水平非均匀、 垂直强非静力性及较强的对流不稳定信息足够促发雷暴云的剧烈发展; 用较为真实的三维气象场作为初始场模拟产生的电场分布特征与云微物理分布特征及环境气象要素的分布结构非常协调, 得到的雷暴云的电荷结构特征以及电结构随时间的演变特征更为复杂, 更真实的体现了实际雷暴云本身发展的复杂性, 同时, 模式能够模拟出合理的云闪及正负云地闪, 且模拟的闪电频数随时间发展演变趋势基本与观测实况基本吻合, 从而表现了对雷电天气潜在的预报能力。本次模拟的北京雷暴云在发展过程中, 水物质霰的最大质量比、 最大正电场强度及闪电频数随模拟时间的演变发展趋势非常相似。     

一种减少有限区气象模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法－三维嵌套方法，详细阐述了这种方法提出的原因，必要性和它的理论基础，在有限区气候模式上进行三维嵌套二维嵌套的对比试验，试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累，并且对于降水的预报也有很大的改善。     

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上，建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统，对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析，研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明:区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同，且不同的物理量在时空的分布也不同；动能场的误差主要在边界区上层的流入区，感热场的误差在边界区上层，水汽的误差在边界区上层的流入区；侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差，在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重，嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关；在大小模式物理参数化过程一致的条件下，无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。     

对虾病害协强因子消除的研究

以细基江蓠Gracilaria tenuistipitata与长毛对虾Penaeus penicillatus混养,密度22.5尾/m~2。经半年试养。结果,虾塘水质条件大大改善,防病效果良好,对虾成活率达49.3％,对照塘成活率26.2％,试验塘比对照塘增产75.8％。     

GRAPES_TYM改进及其在2013年西北太平洋和南海台风预报的表现

2013年国家气象中心对GRAPES_TYM进行了改进,包括集成GRAPES-Meso模式相关改进（即基础模式升级）、对流参数化过程由Simplified Arakawa-Schubert（简称SAS）升级为Meso-SAS,并对涡旋初始化方案进行优化。7个典型个例试验统计分析表明,基础模式升级可使72 h平均路径误差减小10%,在基础模式升级的基础上对流参数化方案的升级可使72 h平均路径误差减小20%,涡旋初始化方案的优化可使72 h平均路径误差进一步减小10%。基础模式的升级和对流参数化方案的升级对GRAPES_TYM的预报路径系统右偏有明显改进;基础模式升级对强度预报的影响不明显,Meso-SAS的应用对12~48 h强度预报的改善效果较显著,而台风初始化方案的优化可以减小6~24 h预报时段内的强度预报误差。2013年全年台风回算结果表明,升级后的GRAPES_TYM其48~72 h后的路径预报误差较准业务系统减小15%~20%,最大风速预报误差减小4%~16%。      

CMA-MESO关键技术集成及应用

基于GRAPES-MESO 10 km系统,提高模式动力框架计算精度和稳定性,选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合,建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统,通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图,建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统,实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用,发展快速循环技术,建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO（GRAPES-MESO 3 km）并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明:CMA-MESO预报的近地面要素（降水、2 m温度、10 m风场）检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果;CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的结果,但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果;同时,对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验,CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。     

GRAPES模式标准初始化方案设计与实现

文章介绍了GRAPES模式标准初始化系统的方案设计及程序结构，对3种不同方案产生的初始场进行了分析。结果表明:水平风场、温度场、位温场对插值方法的精度并不是很敏感，而高度场以及气压Exner函数则对垂直插值方法的精度要求很高；在3种模式变量产生方案中，方案一的效果较差，但它计算速度快，在地形梯度不大的地方可以选择使用；方案二与方案三的效果则比较好，用户可根据自己的需求任意选择。GRAPES模式标准初始化系统在完成其主要功能的同时，通过灵活的程序设计，对标准初始化系统的区域、分辨率、垂直层次、水平插值方法、垂直插值方法等的任意选取，使得标准初始化系统可以很容易满足模式初值的各种需求，为模式开发研究实验提供了各种便利。