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全球模式的动能谱分析

大量的观测资料表明在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度范围(800 km以上)与波数呈现出-3的斜率关系,而过渡到中尺度范围(400 km以下)二者呈现出-5/3的斜率关系。模式预报结果能否展现大气动能谱的这种斜率转折特征已经成为模式评估的有效方法。本文采用GRAPES全球中期数值预报模式2013年5月的预报结果,计算了模式一维和二维动能谱,并分析了二维谱的旋转分量与辐散分量、平均分量与扰动分量的关系。结果表明,GRAPES模式的一维谱和二维谱结果均能较好地表现出动能谱的斜率转折特征,但该模式动能谱在中尺度范围的斜率绝对值明显比观测结果和其它模式结果偏大;二维谱的旋转分量和辐散分量、平均分量和扰动分量在总动能谱中的比重关系及其随高度的变化均与文献结果较为一致。总之,GRAPES模式整体上较好地再现了大气动能谱的各种特征,但是可能由于模式分辨率和耗散作用的影响,模式对大气中尺度波动的描述还不够充分。     

GRAPES全球变分同化背景误差协方差的改进及对分析预报的影响：背景误差协方差三维结构的估计

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。     

GRAPES全球模式云方案的诊断研究

在对GRAPES全球预报系统(GRAPES_GFS)云预报性能进行诊断评估的基础上,对凝结(华)和蒸发等物理过程及对流卷出对云的影响过程进行改进和优化,旨在提高GRAPES_GFS云量及其特征量和降水的预报精度.通过研究GRAPES全球模式、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国环境预报中心(NCEP)全球模式中3种...     

GRAPES全球集合预报初始条件及模式物理过程不确定性方法研究

为描述GRAPES全球模式初始条件的不确定性,基于适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术,依据大气初始误差符合正态分布的特征,采用高斯取样奇异向量来构造全球集合预报初始扰动,在此基础上建立了GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)。利用GRAPES全球同化分析场,对采用初始扰动的GRAPES-GEPS连续试验预报结果进行检验和分析。结果表明:GRAPES-GEPS中高度场、风场及温度场预报的集合离散度能有效快速增加,集合平均均方根误差与集合离散度的关系合理;相对控制预报的均方根误差,集合平均的预报优势在预报中期非常显著。为进一步体现GRAPES-GEPS中模式物理过程的不确定性,发展了模式物理过程倾向随机扰动技术(SPPT)。试验结果表明:SPPT方案的应用有效提高了GRAPES-GEPS在南、北半球和热带地区等压面要素预报的集合离散度,同时一定程度减小了集合平均误差,进而改进了集合平均误差与集合离散度的关系,其中SPPT方案在热带地区的改进最为显著。本文发展的基于奇异向量的初始扰动方法和模式扰动SPPT方案在中国气象局2018年12月业务化运行的GRAPES-GEPS中得到了应用。     

GRAPES全球预报系统的建立及试验工作进展

在GRAPES全球模式的研究和发展方面,2007年重点解决了全球模式质量守恒问题、模式高层系统性偏差、及半拉格朗日动力框架与部分物理过程的协调性问题.同时,完成了基于NCEP分析资料为初始场的-年时间的10天预报试验,系统评估了模式的基本性能.     

GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究

50 km分辨率下的GRAPES全球模式对赤道及低纬度地区云水、云冰、云量和格点降水的预报较实际观测偏少。为解决这一问题,在模式原有的格点尺度云方案基础上,将次网格对流过程的影响作为源汇项,加入到云水、云冰和总云量的预报方程中。结合云和地球辐射能量系统(CERES)与热带降雨测量(TRMM)等卫星云观测资料,进行了改进后的云方案与原云方案预报结果的对比分析。结果显示,考虑了对流对格点尺度云含水量和云量预报的影响后,GRAPES全球模式预报的云和格点降水在赤道及低纬度地区有明显改善,水凝物含水量和总云量的预报结果与实况较为接近,格点降水在总降水中的比例由原来的5%提高到25%。研究进一步表明,次网格对流过程对格点尺度云和降水的影响取决于上升气流质量通量的分布和强度,上升气流的质量通量在对流活动强烈的低纬度热带地区较强,其最大值出现在650—450 hPa高度,因此,次网格对流的卷出过程对中云的影响最为明显。对高云和低云也有一定程度的影响,使云顶变高,云底变低。     

GRAPES全球切线性和伴随模式的调优

伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。     

GRAPES全球格点模式的并行计算负载平衡策略

随着高性能计算机技术的发展和应用,并行计算已成为保证数值天气预报模式业务运行时效的关键技术之一.目前高性能计算机计算能力已达到每秒千万亿次浮点计算.系统中处理器数量也早已达十万甚至更多,如此巨大的计算资源对应用软件系统的设计也提出了挑战.数值天气预报软件系统要充分利用高性能计算机提供的计算资源,必须依靠并行计算方法,这包括适合计算问题的可扩展并行算法的设计、合适的数据分配方案以及良好的任务负载平衡方案.作为中国新一代数值天气预报格点模式,GRAPES(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System)设计的最终目标是一个科研/业务通用,区域/全球通用模式.作为一个格点模式,GRAPES的并行计算具有与欧洲中期数值顶报研究中心谱模式并行计算不同的特点,GRAPES的并行计算采用了经典的水平网格数据划分.但对于全球的GRAPES模式,由于采用拉格朗日差分方案,模式极地及附近区域格点与格点之间距离的减小.使得模式并行计算在采用简单的经纬网格划分方式实现时,必须考虑极地区域并行计算跨越多个处理器时导致的频繁通讯解决途径.本研究提出了利用消息传递组通讯实现全球格点模式并行计算的一种方法,其核心思想是将极点附近一定区域内的处理器按纬向划归不同的处理器组.文中还给出了该实现方法的任务分配算法,提出了改进的任务分配负载平衡方案.在中国气象局高性能计算机IBM-cluster1600上的测试表明,算法具有较好的可扩展性,其负载平衡方案改善了计算的绝对墙钟时间,使并行计算效率提高10%以上.模式的准业务运行结果表明计算墙钟时间基本可以满足数值预报业务的实时性要求.     

GRAPES全球模式预报检验评估——2016年夏季四川地面要素

本文使用2016年6~8月GRAPES全球模式2m温度和10m风场24、48、72h时效预报场和同期四川省156个国家气象站逐日地面温度和风场资料,选取预报准确率、平均误差、平均绝对误差、均方根误差和Alpha Index5个统计量对2016年夏季四川3个区域(盆地区、过渡区和高原区)2m温度和10m风场进行了较为详细的检验评估。研究结果表明:模式对10m最大风速的预报效果较好,准确率较高,最高可达80.64%。模式对过渡区温度预报效果较差,准确率基本低于10%,但是对盆地区温度的预报有一定可信度。模式对10m最大风速的风向预报效果不如最大风速值。全省各区各要素的AI值都在0.7左右变化,表明模式预报的随机误差大,预报和观测吻合较差。本研究还发现,整体来看模式对盆地各要素预报效果较好,对于地形复杂地区(高原区、过渡区)预报效果较差。此外,模式存在一定的系统误差,2m温度的系统误差盆地区约为-2.3~-1.7℃,过渡区约为-8.3~-6.0℃,高原区约为-7.3~-5.0℃;10m最大风速值的系统误差盆地区约为-1.3~-0.6m/s,过渡区约为-2.3~-1.3m/s,高原区约为-2.7~-1.1m/s。      

GRAPES模式切线性垂直扩散方案的误差分析和改进

针对GRAPES四维变分同化系统的升级, 研究了GRAPES模式垂直扩散方案线性化问题。通过2005年8月7—27日21个个例的批量试验, 发现在GRAPES模式垂直扩散方案源代码的基础上逐句线性化得到的切线性垂直扩散方案即使能通过正确性测试试验, 在少数情况下也会存在很大误差。切线性模式计算的扰动气压场和扰动风场可能出现明显异常, 这种异常与垂直扩散方案中地表动量通量的强非线性有关。如果在切线性垂直扩散方案中忽略地表动量通量扰动, 既可以避免异常的出现, 又不影响其他正常时刻的计算精度。修改后的切线性垂直扩散方案能够在所有变量上一致地提高切线性模式的计算精度。     

Diagnostic Study of Global Energy Cycle of the GRAPES Global Model in the Mixed Space-Time Domain

Some important diagnostic characteristics for a model’s physical background are reflected in the model’s energy transport, conversion, and cycle. Diagnosing the atmospheric energy cycle is a suitable way towards understanding and improving numerical models. In this study, formulations of the “Mixed Space-Time Domain”energy cycle are calculated and the roles of stationary and transient waves within the atmospheric energy cycle of the Global-Regional Assimilation and Prediction System （GRAPES） model are diagnosed and compared with the NCEP analysis data for July 2011. Contributions of the zonal-mean components of the energy cycle are investigated to explain the performance of numerical models. The results show that the GRAPES model has the capability to reproduce the main features of the global energy cycle as compared with the NCEP analysis. Zonal available potential energy （AZ） is converted into stationary eddy available potential energy （ASE） and transient eddy available potential energy （ATE）, and ASE and ATE have similar values. The nonlinear conversion between the two eddy energy terms is directed from the stationary to the transient. AZ becomes larger with increased forecast lead time, reflecting an enhancement of the meridional temperature gradient, which strengthens the zonal baroclinic processes and makes the conversion from AZ to eddy potential energy larger, especially for CAT （conversion from AZ to ATE）. The zonal kinetic energy （KZ） has a similar value to the sum of the stationary and transient eddy kinetic energy. Barotropic conversions are directed from eddy to zonal kinetic energy. The zonal conversion from AZ to KZ in GRAPES is around 1.5 times larger than in the NCEP analysis. The contributions of zonal energy cycle components show that transient eddy kinetic energy （KTE） is associated with the Southern Hemisphere subtropical jet and the conversion from KZ to KTE reduces in the upper tropopause near 30？S. The nonlinear barotropic conversion between stationary     

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。     

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。     

应用GRAPES模式对贵州暴雨过程的模拟试验

利用我国新一代数值预报模式GRAPES（Global／Reglional Assimilationand Prediction Enhanced System）,对2004年发生在贵州的3次强降水过程,即6月23—24日、7月17—18日和7月21—22日的暴雨过程进行了数值模拟,并与实况资料进行对比分析。模拟结果表明：GRAPES模式成功地模拟了这几次降水过程中的主要天气系统的位置和移动过程,如西南低涡的加强、较强的低空急流、低空气流辐合以及高空槽过境等,因此较好地模拟出暴雨的落区和分布特征。但对强降水的模拟与实况有一定差异,对局地暴雨的模拟偏小。模拟试验分析可见：GRAPES模式对贵州暴雨有预报能力,有较好的参考作用。     

Numerical Simulation and Evaluation of a New Hydrological Model Coupled with GRAPES

Hydrological processes exert enormous influences on the land surface water and energy balance, and have a close relationship with human society. We have developed a new hydrological runoff parameterization called XXT to improve the performance of a coupled land surface-atmosphere modeling system. The XXT parameterization, which is based upon the Xinanjiang hydrological model and TOPMODEL, includes an optimized function of runoff calculation with a new soil moisture storage capacity distribution curve(SMSCC). We then couple XXT with the Global/Regional Assimilation Prediction System (GRAPES) and compare it to GRAPES coupled with a simple water balance model (SWB).For the model evaluation and comparison, we perform 72-h online simulations using GRAPES-XXT and GRAPES-SWB during two torrential events in August 2007 and July 2008, respectively. The results show that GRAPES can reproduce the rainfall distribution and intensity fairly well in both cases. Differences in the representation of feedback processes between surface hydrology and the atmosphere result in differences in the distributions and amounts of precipitation simulated by GRAPES-XXT and GRAPES-SWB. The runoff simulations are greatly improved by the use of XXT in place of SWB, particularly with respect to the distribution and amount of runoff. The average runoff depth is nearly doubled in the rainbelt area, and unreasonable runoff distributions simulated by GRAPES-SWB are made more realistic by the introduction of XXT. Differences in surface soil moisture between GRAPES-XXT and GRAPES-SWB show that the XXT model changes infiltration and increases surface runoff. We also evaluate river flood discharge in the Yishu River basin. The peak values of flood discharge calculated from the output of GRAPES-XXT agree more closely with observations than those calculated from the output of GRAPES-SWB.