GRAPES_GFS中三维参考大气的研究:理论设计和理想试验

参考大气的选取对于半隐式半拉格朗日（Semi-Implicit Semi-Lagrangian,简称SISL）模式动力框架的计算精度至关重要。中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES_GFS（Global Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System）采用基于等温大气构造的一维参考大气,该方法求解简单、易于实现,但无量纲气压和位势温度扰动量的数量级较大,降低空间计算精度的同时,由于非线性项较大,使得时间计算精度较低。借鉴近年来世界上各主要业务中心的数值模式框架搭建方法,拟在GRAPES_GFS的动力框架中引入不随时间变化且满足静力平衡的三维参考大气,使得积分过程中参考大气可以尽量地靠近模式大气,提高空间计算精度的同时,减小非线性项的数量级,进而提高时间积分的计算精度。本研究重新推导了引入三维参考大气之后模式动力学方程组的求解过程,通过若干个理想试验验证了理论方法以及代码实现的正确性,说明新的三维参考大气可以有效地提高模式动力框架的计算精度。      

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。     

位温方程拉格朗日平流计算方案的改进及其在GRAPES_GFS全球模式的应用

GRAPES全球数值预报系统(GRAPES_GFS)个例试验中,模式高层垂直速度在南极大陆上空会出现较大的计算噪音,进而影响模式的积分稳定性,甚至积分中断。对GRAPES_GFS的动力框架以及动力、物理耦合方案进行诊断分析,发现位势温度在拉格朗日上游点上的垂直插值是垂直速度噪音产生的主要原因。2013年7月实际资料试验表明,在位温方程中引入垂直非插值的拉格朗日平流方案,可以减少或消除该计算噪音。使用新的方案后,北半球和热带地区模式预报的整体性能得到了明显提高,8 d预报的全球质量损失较为严重的问题也得到了缓解。     

半拉格朗日方法及其在数值模拟和数值预报中的应用

文章对半拉格朗日方法的基本原理和技术方法做了简要介绍。对其主要优、缺点进行了评述。同时也对半拉格朗日方法的应用及研究进展情况概括地予以介绍。     

质量守恒律在国家气候中心气候谱模式中的应用

概述了在国家气侯中心气侯谱模式中,引入参考大气和大气质量守恒律,消除了原模式由于模式大气质量不守恒引起的气候漂移计算误差,改进了气候模拟,提高了预报精度.     

相变修正方案在GRAPES模式标量平流中的应用

如何更好地模拟水物质的空间分布和小尺度变化,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.计算机的飞速发展使数值模式的分辨率不断提高,云的显式计算成为可能,这样就要求水物质在平流的过程中必须要做到高精度、守恒、保形.水物质场是正定标量的场,具有空间和时间变化幅度大、存在强梯度甚至不连续的特点,水物质场的合理模拟一直是数值预报中的一个难题.GRAPES模式中的标量平流方案采用PRM分段有理函数方法,比较好地解决了该半拉格朗日模式中水物质平流的高精度、守恒、保形问题,但是当有凝结潜热发生时,由于半拉格朗日平流方案求解上游点时的插值,在云边缘区域会造成虚假的云水,进而导致不合理的相变过程.为了解决以上问题,本研究在GRAPES模式中PRM平流方案的案础上,加入了非线性半拉格朗日相变潜热的修正方案,旨在改进GRAPES模式对水物质平流问题的模拟,提高降水的预报效果.该研究通过理想试验,验证了非线性半拉格朗口相变修正方案可以有效地限制云边缘由于半拉格朗日平流方案插值产生的虚假柑变;然后将该方案加入GRAPES模式的PRM水物质平流方案中,通过实际个例模拟验证了加入非线性半拉格朗日方案以后,模式可以更好地模拟水物质的平流过程,且对云中热力场及水物质分布地模拟更加合理,同时预报出的雨带中心区与实况更加符合.     

半拉格朗日方法在全球原始方程模式中的实现

简单介绍了半拉格朗日平流方案的基本概念,并详细总结了基估全球原始方程模式,特别是在ＩＦＳ的具体实现过程,拉格朗日平流的观点是着流体质点看流体运动,基贩关键是流体轨迹的计算。轨迹中点和起始点水平坐标的示得可以利用球面三角,直接在球极坐标中进行,并采用一些较高的近似。为了充分获得半拉格朗日方案析益处,在起始点的内插能工巧匠春阶数至少应在四阶以上,为避免昂贵的三维三次内插,可以采用三维“准三次”内插 。     

GRAPES_GFS 2.0模式非系统误差评估

选取2014年1月、4月、7月、10月的GRAPES_GFS 2.0预报产品和对应时刻的NCEP FNL分析资料进行对比。从时间演变看,南、北半球的非系统误差均在各自冬季达到极盛,误差呈现周期性变化规律。位势高度场的非系统误差随时间演变先呈指数增长,后呈线性增长,温度场和纬向风场的误差则近似于线性增长。从空间分布看,GRAPES_GFS 2.0的非系统误差大值主要分布在中高纬度地区,呈条带状分布,误差大值区域基本不随预报时效的变化而发生变化;位势高度场和纬向风场的误差大值区出现在对流层顶附近,而温度场的误差大值区则出现在边界层顶附近。将误差增长曲线参数化拟合后发现,南半球的初始场误差、可预报上限和初始场误差占比均高于北半球,随离地高度增加初始场误差占比逐渐减小。     

完全非内插半拉格朗日格式在一维 Burgers方程及二维浅水波方程上的应用

在作者过去提出的完全非内插半拉格朗日格式的基础上,针对半拉格朗日格式由于内插带来预报场人为的光滑性问题,进一步发展了这种计算格式,证明了此格式的计算稳定性。为检验这种新的计算格式的性能,在一维和二维问题上进行了应用。在一维问题中采用了一维无粘Burgers方程（方程中有突变点）;二维问题采用了浅水波方程,同时将这些计算结果与Ritchie方案及欧拉方案或一般半拉格朗日内插方案的计算结果进行了比较,发现新格式消除了内插和预报场的人为光滑,并且计算精度有一定程度的提高,这为以后将此格式推广到全球谱模式打下了基础。     

GRAPES_GFS 2.0模式系统误差评估

通过选取2014年1月、4月、7月、10月的GRAPES_GFS 2.0预报产品和NCEP FNL分析资料进行对比分析,发现GRAPES_GFS 2.0的系统误差具有以下特性:位势高度场误差的空间分布具有纬向条带状或波列状特征,误差大值集中在中高纬度地区,低纬度地区误差较小。误差在南北半球各自的冬季最大、夏季最小,并呈现明显的季节变化特征。误差随预报时效的增速略低于线性增速且不同预报时效下误差随高度变化的曲线趋势相似。温度场误差的空间分布相对均匀,误差大值位于30°S~30°N附近地区。纬向风场误差没有十分明显的分布规律,与纬度变化、海陆分布和地形的关系均不密切,西风误差和东风误差交替出现。结果表明:模式对冬季中高纬度地区和边界层及对流层顶的模拟技巧尚需提高。明确GRAPES_GFS 2.0的系统误差分布特性,有助于有针对性地进行模式订正,改善误差大值区域的模式预报方法。     

GRAPES＿GFS中三维参考大气的研究：参考态构造和实际预报试验

GRAPES GFS(Global Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System)采用基于等温大气构造的一维参考大气,前期的研究工作已在GRAPES_GFS的动力框架中引入了三维参考大气,并通过一系列理想试验检验了新方法的正确性以及计算精度。本部分研究工作,主要针对实际资料的预报试验,对比分析了不同三维参考态给定方法的优劣,并采用气候平均法,进行夏季两个月的四维变分循环预报试验。检验结果显示,使用三维参考大气后,模式的综合预报性能得到了提升,对流层高度场、温度场的预报偏差有所减小,长期积分过程中模式质量损失较为严重的问题也得到了明显的缓解。另外,通过动能谱的对比也可以看到使用三维参考大气后,模式在高层的能量耗散明显较小,能谱变化与观测更加吻合。     

GRAPES_GFS模式全球降水预报的主要偏差特征

利用2017年1、4、7、10月"全球降水观测(global precipitation measurement,GPM)计划"每日08时(北京时)的24 h累计降水量和逐30 min降水量观测产品,从降水量和频率等角度,对同期GRAPES全球模式(GRAPES_GFS)第1(D1)、3(D3)、5天(D5)的全球降水...     

GRAPES_Meso V3.0模式预报效果检验

根据地形特征,将西南地区划分为高原区、边坡区和盆地区,引入统计学\     

仅引入质量守恒律的T63模式对全球大气环流和中国气候的模拟

对引入参考大气和质量守恒律的T63谱模式10年气候积分的结果进行了分析.结果表明,模式对全球大气环流有较好的模拟效果,对中国地区地面气温和中国东部地区的降水也有一定的模拟能力,其中对气温的模拟效果好于降水.模拟存在着一些误差,对地面气温,主要是模拟的温度场系统性偏低,不能模拟出小地形波动引起的温度变化;对降水的模拟,为在我国中西部模拟出了一个大的虚假中心.     

参考大气和大气质量守恒格式对气候模式月预报效果的改进试验

为了考查参考大气和大气质量守恒格式对气候谱模式月预报的改进能力,我们在国家气候中心气候谱模式中引入了这两个方案,选取了两个个例进行验证。对不同方案的月平均预报结果与实况进行了比较,并讨论了不同方案对高度场距平相关系数和均方根误差的影响。本文个例试验结果表明,这两个方案对月平均预报结果均有改进,参考大气方案的改进比大气质量守恒方案更为明显。     

非静力中尺度模式的现状及发展趋势

随着高性能计算机与大气探测技术的发展 ,使得非静力中尺度数值预报模式的业务化成为可能 ,世界上主要的气象中心最近几年纷纷发展非静力中尺度模式 ,并取得了重要进展 ,这其中尤以英国气象局新发展的非静力通用模式最为突出。基于此 ,介绍了近年来国际上发达国家的非静力中尺度预报模式的现状及发展方向 ,并对该类模式设计中应注意的一些问题进行了阐述