GRAPES的新初始化方案

四维变分同化由于引入预报模式作为一项约束,理论上它的分析场已经具有较好的平衡性,但实施时还会有诸多因重力波导致的高频振荡过程,因此,四维变分同化(4DVar)分析仍需要初始化。文中描述了GRAPES全球四维变分同化系统(GRAPES-4DVar)的新初始化方案的科学设计、公式演绎以及试验结果。GRAPES-4DVar的新初始化方案采用数字滤波方案作为代价函数的一项约束控制重力波引发的不平衡结构,约束强加在分析增量上与极小化迭代过程同步进行。新的初始化方案是变分同化系统的一部分,数字滤波的积分时间与4DVar的同化时间窗一致,不会对4DVar产生额外的计算资源消耗;并能适应长时间窗的同化,不会因为时间窗的延长而削弱慢波过程。新初始化方案中,模式轨迹的光滑程度可在变分同化中通过重力波控制项的权重系数方便控制。GRAPES全球四维变分同化的理想和循环同化批量试验都表明,在四维变分同化中,重力波的控制依然非常重要,具有初始化的GRAPES试验,无论分析还是预报技巧都较无初始化的有明显优势。与以前分析和滤波独立实施的旧初始化方案相比,新方案的分析和预报效果略优,同时有效地节省循环同化系统的运行时间,这对四维变分同化来说非常重要。     

用数字滤波方法进行数值模式的初始化

将数字滤波原理用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的初始化。选取两个初值进行了实验。通过对模式短时间积分得到的时间序列进行滤波处理，有效地滤去了初始场中的高频重力波振荡，保留了其中有天气意义的扰动，同时对分析场的改变很小。５ｄ预报的结果说明，经过初始化后的预报较为平稳，场较为光滑。对比实验表明，绝热和非绝热初始化的效果很接近。这种方法简便有效，是一种实用的初值化方法     

数字滤波初始化(DFI)在高水平分辨率模式中的应用

数字滤波初始化应用的前提假设之一是不平衡重力惯性波在频率谱上与有天气意义的波动不重叠。随着水平分辨率的不断提高,数值模式能够解析的重力波具有波长更短、频率更高的性质,模式中有天气意义的波动与高频噪声的界线更加模糊,因此,数字滤波初始化在高分辨率模式中的应用性能尚未明确。以一次深对流过程为例,在3 km水平分辨率条件下采用不同滤波参数配置进行数字滤波初始化试验,试图对高水平分辨率预报初始场中高频噪声特征、如何区分具有天气意义的高频信号和虚假噪声、数字滤波初始化在数值预报模式(WRF)高水平分辨率条件下的应用性能等一系列相关问题给出初步的认识。试验结果表明,在针对高分辨率模式进行数字滤波初始化时,原有应用于低分辨率模式的初始化配置参数已不适用,必须根据高分辨率噪声的特点重新设计相应的滤波方案。即使在"无噪声"状态下,有天气意义的信息在模式中也具有与虚假高频噪声一致的表现形式,即大的地面气压变化倾向。数字滤波初始化的确能对特定切断频率的高频振荡进行滤波,但无法区分其性质究竟是具有天气意义的高频信号,还仅仅只是虚假的高频噪声。如果要达到滤除初始场中高频噪声的理想效果、并且消除积分过程中的高频振荡,必须延长滤波时间窗,但这是以增加额外的积分时间、以及有可能损害气象上有意义的波动为代价的。滤波效果越显著,滤波结果对初始场的改变越大,这两个方面实质上是有冲突的,因此,在应用数字滤波初始化时必须在滤波效果可接受和保证预报性能两方面之间进行妥协。最后就数字滤波初始化在高分辨率有限区域数值模式中的可能应用提出了具体的建议。     

高分辨率GRAPES模式中云微物理方案对强降水的模拟和诊断研究

利用高分辨率GRAPES—Meso中双参数云微物理方案,对我国两次强降水过程进行数值模拟,并与模式中WSM6和NCEP5方案进行对比分析,结合多种观测资料,诊断评估方案的预报性能.同时研究伴随强对流性降水中的关键云物理过程。个例研究表明,对流发展旺盛的云团中,冰相粒子尤其是霰粒子对对流的发展与降水起着主导作用,霰的融化是强降水的主要来源,而周围的层状云区域霰粒子的分布极少,主要受雪的融化与暖云降水的影n向。双参数方案模拟的雨带走向、范围和降水强度与实况拟合较好,同时在对流单体的最大回波高度与强度、冰晶的分布与云砧结构等方面也具有一定优势,但冰晶含量和回波顶高度略低于观测,这都为双参数方案的优化与业务应用提供重要的支持。     

GRAPES-TCM台风模式的新涡旋初始化方案——原理和实施

在更新的GRAPES-TCM (Global/Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model)台风模式架构下,引进与发展了一个新的涡旋初始化方案。该方案对台风涡旋进行极小化订正,减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,所产生的涡旋满足特定的动力与热力平衡,且保持了与模式动力及热力的一致性。新的涡旋初始化方案能更精细地体现初始台风的强度与结构,强度更接近于观测,结构更为合理。试验表明其可以有效地改善台风路径与强度的预报精度。     

GRAPES中尺度模式中Kain-Fritcsh方案的改进及应用试验

本文对GRAPES_Meso中Kain-Fritcsh eta积云参数化方案进行了三种改进：(1)将原触发机制中的温度扰动分解成由水汽决定的垂直向和水平向温度扰动(KF1方案),(2)在原温度扰动中直接增加一项由相对湿度计算的水汽平流项(KF2方案),(3)在KF1方案中增加用相对湿度计算的水汽平流项(KF3方案)。利用GFS预报场资料对上述改进方案进行模拟试验和批量回报试验,结果表明：“5·23”暴雨个例中,(1)改进方案均可以减少原方案模拟的部分虚假降水,KF1方案模拟降水范围较好,KF2方案模拟强降水中心较好,KF3方案同时具备二者优点。(2)三种改进方案对于强降水站点均存在模拟降水偏弱,KF1方案降水趋势与实况接近,但存在对流激发较快,后期降水略为不足,KF2方案则相反,KF3方案表现介于二者之间;KF2、KF3方案均会在对流激发最强和最弱时刻使其向有利方向调整。台风个例中,KF1方案模拟中心气压较好,KF2方案模拟台风路径较好,KF3方案则在两者上均有较好表现。TS评分检验表明KF1方案在各个降水量级上的评分都较低,KF2、KF3方案评分相对较高;误差检验(高度、风)时,KF1方案在中层误差较大,高、低层误差最小,其他两种方案表现则相反。     

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.     

逐层平滑地形的平缓地形追随坐标在高分辨率GRAPES模式中的应用研究

高分辨率GRAPES模式如3?km模式对地形的识别程度更高,模式中各高度坐标面可识别的地形坡度也更大,地形作用带来的气压梯度力计算误差和平流输送误差更突出.平缓地形追随坐标可以通过多种方式衰减坐标面上的地形影响进而减小这些计算误差.选择一种逐层平滑地形的平缓地形追随坐标,基于GRAPES-3km模式进行理想试验和批量模...     

新疆中强天气过程GRAPES区域模式降水预报检验

利用2009年新疆地面气象观测站的实况降水资料和GRAPES区域模式的降水预报产品,根据降水预报产品在新疆实际天气预报业务工作中的应用制定检验方案,对GRAPES区域模式12 h降水预报产品进行检验。结果表明:GRAPES区域模式的降水落区位置和落区面积预报准确率北疆高于南疆,降水落区位置预报偏南的概率比较高;各时效降水中心强度预报易偏强,随预报时效延长其准确率呈降低趋势。     

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。     

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区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法(GCR)求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,...     

GRAPES区域集合预报条件性台风涡旋重定位方法研究

为了在集合预报中更合理描述台风涡旋中心定位的不确定性,采用2009—2018年中国气象局和日本气象厅台风最佳路径数据,分析台风最佳路径涡旋中心定位的不确定性特征,在此基础上设计条件性台风涡旋重定位方法(Conditional Typhoon Vortex Relocation,CTVR),构建集合成员台风涡旋中心重定位阈值条件、台风涡旋分离数学处理及涡旋重定位等数学处理过程,利用中国气象局数值预报中心区域集合预报系统(Global/Regional Assimilation and Prediciton System-Regional Ensemble System,GRAPES-REPS)对2018年西北太平洋上的3个台风(1808号"玛莉亚"、1824号"谭美"和1825号"康妮")进行轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位两种方案的集合预报试验和检验评估。结果表明:(1)中国气象局和日本气象厅台风最佳路径误差平均值为13.72 km,可视为台风涡旋中心定位不确定性的合理估计值;(2)统计检验结果和典型个例分析表明,采用轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位...     

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。      

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区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

GRAPES新云量计算方案的引进和影响试验

在GRAPES模式中分别引进了 EC云量计算方案和WRF云量计算方案,并与GRAPES现用的云量计算方案和简单云方案进行了对比数值试验,结果表明:(1)这4种云量计算方案都能较准确地模拟云分布,相对而言,EC云方案和简单云方案模拟地更为准确.(2)简单云方案模拟的总云量较多,GRAPES云方案和WRF云方案模拟的总云量偏少,EC方案模拟的总云量较为接近观测值.(3)在中国东部地区模拟的地面温度与观测基本接近,但在中国西部地区则误差较大;采用EC云方案时模式模拟的地面温度更接近观测值.(4)综合分析模拟的效果,认为EC云量计算方案模拟的效果最佳,可以作为GRAPES新云量计算方案引进的参考.     

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模式中物理过程时间计算精度对降水预报的影响

对数值模式物理过程与动力框架耦合方案进行了分析, 在GRAPES模式中引进了ECMWF模式中的Wedi (1999) 耦合方案, 此方案考虑了两个时间层物理过程的影响, 即将上游点和到达点物理过程的影响同时反馈到动力框架中, 它是二阶时间精度的耦合方案, 比原一阶精度耦合方案更加合理和准确。利用GRAPES模式, 设计了Wedi耦合方案与原耦合方案的连续数值试验。试验结果表明, 在逐日降水预报中, Wedi耦合方案与原耦合方案降水预报的T评分 (Threat score) 互有高低, 但差别不大; 预报的降水量可能有较小的变化, 但不能使预报降水的等级出现本质的改变。但对其平均后的分析可知, 新引进的Wedi耦合方案对预报降水评分具有正的贡献。即新耦合方案完善和改进了GRAPES模式, 对提高模式的降水预报准确率具有正效果。