GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。     

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。     

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。     

非静力的轴对称热带气旋模式及其模拟结果

建立一个非静力的轴对称数值模式，模拟热带气旋内部的中尺度过程。通过对海温、纬度、初始场进行大量敏感性实验，发现模式的模拟结果同以前的研究是一致的。许多模拟特征（如垂直、切向风的最大值；低层入流，眼壁处上升气流的生消过程，并且对流环的向内移速与实测值很一致，模拟结果还显示台风内外区结构间存在耦合关系。     

三维非静力中-β尺度动力学预报模式的应用Ⅰ:数值模式介绍

建立一个三维非静力中－β尺度动力学预报模式，模拟地形的动力和热力作用所产生的大气现象。模式包含以下功能；放弃静力近似的假设；垂直方向采用地形跟随坐标，以表现实际地形的动力和热力作用；用较细的网格以提高空间分辨率和精度；通过他表能量平衡方程计算，反映地表的热力作用。其中太阳辐射吸收考虑了地形的波向作用，他表潜热和水汽通量考虑了植被作用；闭合方案采用O’srten的K（z）闭合方案。     

海岸边界层模式中闭合方案的模拟分析

本文建立一个三维非静力边界层模式对杭州湾附近复杂地形域区进行了数值模拟。要用常用的能量闭合和一 新的非局地反梯度闭合方案结合实测资料,以验证不同闭合方案模拟实际大气的能力,进一步分析三维边界层模式的效能结果表明,两种闭合方案都能较好的模拟澳陆环流及温度场,而反梯度闭合比能量闭合更能细致、敏感的模拟湍流场随地形的变化,且模拟结果与实测接近。     

非静力模式中几种垂直网格计算特性的对比研究

从非静力滞弹性方程组出发，将惯性重力波的水平波长分几百公里、几十公里和几公里三种情况，从频率、群速和各速的垂直尺度范围等方面对现有的几种垂直网格进行比较讨论。结果表明：在非静力模式中，CP网格和LZ网格适合于各种不同水平尺度惯性重力波的模拟；L网格和LY网格适合于水平尺度为几十公里以上的惯性重力波的模拟；LTS网格和CPTS网格比较适合于水平尺度的几十公里以下的惯性重力波的模拟。     

GRAPES全球模式静力平衡奇异向量改进及应用试验

采用线性化物理过程方案的GRAPES全球模式奇异向量在进行非线性模式积分时会有部分奇异向量出现崩溃问题,这说明奇异向量结构可能存在扰动变量之间不协调之处,需要对奇异向量扰动的计算方法优化,进而改进基于奇异向量的集合预报初值扰动,提高GRAPES全球集合预报效果.基于原有的GRAEPS全球奇异向量计算方法,在求解奇异向量...     

中尺度模式中的三维变量配置

由于中尺度模式中采用不同的三维变量配置,必将产生不同的预报和模拟效果.怎样的三维变量分布,才能产生最佳的模拟效果呢?一直没有人从事这方面的研究.为此,在线性非静力滞弹性方程组的基础上,从频率、水平群速和垂直群速方面将中尺度模式中常见的四种三维网格的计算频散性与解析解的情况进行了对比,主要采用图示比较的方法.结果表明:总的来看三维网格C/CP计算频散性能最好,Z/LZ和Z/LY网格次之,C/L网格最差.因此设计非静力斜压模式时,应尽量采用C/CP网格.但C/CP网格对水平波长较短的波,误差相对要大些.如果模拟的波动水平尺度较小时,为减少误差,水平格距要减小.另外C/CP网格主要用在有限差分模式中;要考虑谱模式中的变量配置时,应把C/CP网格和Z/LZ网格或Z/LY网格结合起来使用.     

基于总能量模的GRAPES全球模式奇异向量扰动研究

以发展基于奇异向量技术为初值扰动的GRAPES全球集合预报系统为目的,在GRAPES模式及其干动力框架下的切线性、伴随模式基础上开展了以总能量模为权重算子的奇异向量计算技术研究,建立奇异向量的计算求解模块,并通过奇异向量检验方法和切线性近似方法验证了奇异向量求解的正确性.通过对中高纬度的GRAPES奇异向量水平结构的线性演变分析,证实了在最优时间间隔内GRAPES奇异向量能够快速增长,并能描述中高纬度大气的斜压不稳定特征.分析在初始时刻和最优化时间间隔时刻的GRAPES奇异向量总能量及其分量(动能和势能)的垂直分布特征,发现在中高纬度区域,GRAPES奇异向量能够描述对流层不同层次的斜压不稳定增长特征.     

Improving the Vorticity-Streamfunction Method to Solve Two-Dimensional Anelastic and Nonhydrostatic Model

ＩｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＶｏｒｔｉｃｉｔｙ－ＳｔｒｅａｍｆｕｎｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｔｏＳｏｌｖｅＴｗｏ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＡｎｅｌａｓｔｉｃａｎｄＮｏｎｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＭｏｄｅｌＳｕｎＬｉｔａｎ（孙立潭）ａｎｄＨｕａｎｇＭｅｉｙｕａｎ（黄...     

一种新型高度地形追随坐标在GRAPES区域模式中的实现:理想试验与比较研究

将一种新的高度地形追随坐标(Klemp坐标)引入了GRAPES区域模式,并与传统追随坐标(Gal-Chen坐标)和平缓地形追随坐标(SLEVE,Smooth Level Vertical coordinate)进行了比较。对不同坐标下气压梯度力的计算误差通过理想静止大气试验进行了评估,结果表明:与Gal-Chen坐标和SLEVE坐标相比,Klemp坐标有效地减小了气压梯度力的计算误差。理想重力波模拟试验表明,Klemp坐标下对重力波的模拟相比其他两种坐标也更接近于解析解。模式进一步采用了Mahrer气压梯度计算方案减少了计算误差,并提高了模式的精度和稳定性。实际个例试验与理想试验的结论相似。     

GRAPES单柱模式的试验研究

根据GCSS WG4(Global Energy and Water Cycle Experiment Cloud System Study Working Group 4)第3次个例模拟的观测数据,为GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)设计了一个可用于检验其整套物理参数化过程对夏季中纬度陆地天气过程模拟的单柱模式试验,并利用该试验考察了不同复杂度的两种陆面过程(CoLM和SLAB)对温、湿度和降水模拟的影响。整个观测时段的模拟表明,模拟的降水与观测的量级一致,位温和水汽混合比没有明显偏离观测,这说明本试验的构造是合理的。考虑到模式系统误差对长期积分结果的影响,随后选取了4个降水子时段分别进行积分。结果表明,使用CoLM方案模拟得到的累积降水量均大于使用SLAB方案的,但使用CoLM方案时出现虚假降水的概率较大。由于区域平均的初始热动力廓线比实际降水发生地区偏干,使用两个方案的模拟均对子时段3的第1个降水事件延迟24h左右,这对其在子时段3的相关系数都很小有贡献。时间平均的位温和水汽混合比误差分析表明,使用CoLM模拟的子时段1和2的对流层低层偏冷、偏湿,而其他情况下为偏暖、偏干。对流层低层位温的误差与地表气温的误差一致。此外,还发现使用CoLM模拟得到的感热通量偏小,潜热通量偏大,而使用SLAB模拟得到感热通量偏大,潜热通量偏小。对流层中高层,子时段1和4为偏冷、偏湿,对应降水偏少(使用CoLM的模拟在子时段1的降水偏多归因于虚假降水);子时段2,使用CoLM的模拟为偏暖、偏干,对应降水偏多,使用SLAB的模拟为偏冷、偏干,对应降水偏少;子时段3,使用两个陆面方案的模拟均为偏冷、偏干,对应降水偏多。     

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。     

一种改进的平缓-混合地形追随坐标在GRAPES中尺度模式中的应用研究

平缓-混合地形追随坐标（T-F坐标）可以减小坐标面上的地形影响带来的各种计算误差。以余弦三角函数为基函数的平缓-混合坐标（COS坐标）高层坐标面水平,计算误差较小,但是低层坐标面之间的厚度较薄,增大了计算误差,给模式稳定性及模拟效果带来较大的影响。设计一种改进的COS坐标,使低层坐标面垂直分布更加均匀,应用于GRAPES-Meso模式进行理想试验和实际模拟试验。结果表明,改进的COS坐标相对COS坐标,中高层计算误差相当,低层地形作用衰减的垂直变化更加均匀,减小了计算误差,提高了计算稳定性;地形重力波试验结果显示,改进的COS坐标重力波破碎相对COS坐标有一定缓解,更接近解析值;批量模拟试验结果显示,改进的COS坐标各个层次上的月平均模拟偏差比单尺度双曲函数平缓-混合坐标（简称SLEVE1坐标）更小,均方根误差减小,距平相关系数增大。改进的COS坐标有效地解决了COS坐标的计算问题,提高了模式预报效果。      

Influence of Coriolis Parameter Variation on Langmuir Turbulence in the Ocean Upper Mixed Layer with Large Eddy Simulation

Langmuir turbulence is a complex turbulent process in the ocean upper mixed layer. The Coriolis parameter has an important effect on Langmuir turbulence through the Coriolis–Stokes force and Ekman effect, however, this effect on Langmuir turbulence has not been systematically investigated. Here, the impact of the Coriolis parameter on Langmuir turbulence with a change of latitude (LAT) from 20°N to 80°N is studied using a non-hydrostatic large eddy simulation model under an ideal condition. The results show that the ratio of the upper mixed layer depth to Ekman depth scale (RME) RME = 0.266 (LAT = 50°N) is a key value (latitude) for the modulation effect of the Coriolis parameter on the mean and turbulent statistics of Langmuir turbulence. It is found that the rate of change of the sea surface temperature, upper mixed layer depth, entrainment flux, crosswind velocity, downwind vertical momentum flux, and turbulent kinetic energy budget terms associated with Langmuir turbulence are more evident at RME ≤ 0.266 (LAT ≤ 50°N) than at RME ≥ 0.266 (LAT ≥ 50°N). However, the rate of change of the depth-averaged crosswind vertical momentum flux does not have a clear variation between RME ≤ 0.266 and RME ≥ 0.266. The complex changes of both Langmuir turbulence characteristics and influence of Langmuir turbulence on the upper mixed layer with latitude presented here may provide more information for further improving Langmuir turbulence parameterization.     

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.     

Error evolution in the dynamics of an ocean general circulation model

The problem of error propagation is considered for spatially uncorrelated errors of the barotropic stream function in an oceanic general circulation model (OGCM). Such errors typically occur when altimetric data from satellites are assimilated into ocean models. It is shown that the error decays at first due to the dissipation of the smallest scales in the error field. The error then grows exponentially before it saturates at the value corresponding to the difference between independent realizations. A simple analytic formula for the error behavior is derived; it matches the numerical results documented for the present primitive-equation ocean model, and other models in the literature.     

数字滤波初始化方案在高分辨率GRAPES区域模式中的应用研究

高分辨率同化系统中引入的高频率高密度观测信息会造成分析变量之间的不平衡,因而在模式积分中产生的虚假重力波会严重影响模式预报质量和运行稳定.为了抑制虚假重力波在模式中快速增长,文中通过在高分辨率GRAPES区域模式中应用非绝热数字滤波和增量数字滤波初始化方案,研究不同滤波截断周期的初始化方案对分析预报的影响.试验结果表明...