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。     

非均匀网格下的高阶精度中央差分格式:理论推导和理想试验

传统的高阶精度有限差分格式通常是在均匀网格的基础上推导得到的,在非均匀网格的情况下它会出现精度退化的问题。基于泰勒展开方法构造了一种适用于非均匀网格的2阶、4阶和6阶精度中央有限差分方案,利用Burgers方程和一维平流方程对新方案的性能进行测试,着重分析新方案对其误差大小及分布形态的改进效果。数值模拟结果表明:在非均匀网格下,提高差分方案的精度可明显减小数值解误差(降低了70%~88%),特别是当差分精度从2阶提高到4阶的时候。同时,高阶精度方案在梯度变化较大或者网格距较粗区域的模拟结果更有优势,4阶和6阶精度方案在以上区域的误差远小于2阶精度方案。方案可用于提高数值天气预报模式中非均匀分层模式的垂直差分计算精度。      

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。     

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。     

GRAPES模式动力框架的长期积分特征

通过考虑动量表面拖曳并利用牛顿松弛方法将温度松弛到纬向对称的温度场, 对GRAPES模式的动力框架进行了长期时间积分试验。通过统计分析其积分结果表明:GRAPES模式的动力框架可以模拟出大气环流的基本特征; 随着分辨率的提高, GRAPES模式动力框架的模拟结果显示出收敛的特性; 虽然GRAPES模式动力框架采用的是能量不守衡的半隐式半拉格朗日时间积分方案, 但长期时间积分试验表明其能量基本保持稳定。这些结果显示使用GRAPES模式动力框架作大气环流和气候研究的大气动力框架是可行的, 同时也为进一步改进GRAPES模式动力框架提供了线索和依据。     

GRAPES模式中三维科氏力计算及其效果评估

作为一种连续可压缩流体,大气具有分层流体特性,其状态变化可由牛顿第二定律、热力学第一定律、连续方程和理想大气状态方程组成的偏微分方程组描述。为了更加精细地描述GRAPES全球模式的动力过程,使模式大气更接近真实大气,在全球非静力模式GRAPES中考虑三维科氏力作用,通过重新构建半隐式半拉格朗日求解大气动力方程组的亥姆霍兹方程系数,在不改变求解方案的前提下实现对GRAPES模式动力过程的更新。然后采用在静力平衡基础上建立的三维大气理想试验对新的动力过程进行数值试验,检验其计算效果和数值稳定性。结果显示,考虑三维科氏力的模式动力框架计算稳定,提高了三维标量和矢量场的计算精度,在水平1°×1°分辨率模式中,平衡流试验第15天计算结果标量场Π'的l₁和l₂误差分别为0.00023和0.0004,而三维矢量场 V 的l₁和l₂误差分别为0.002和0.003,均较原模式误差小一个数量级。在罗斯贝-豪威兹波、地形罗斯贝波和斜压波试验中,新框架均表现出很高的计算稳定性和良好的计算效果。      

中国南海台风模式(TRAMS-v2.0)技术特点及其预报性能

中国南海台风模式(TRAMS)是基于GRAPES的非静力中尺度模式,采用半隐半拉格朗日时间差分方案,借助Helmholtz方程进行隐式求解,并在原模式的基础上,采用三维静力参考大气、非线性项分步计算、物理过程倾向隐式处理及与动力过程耦合等技术,形成新的模式动力过程计算方案。模式物理过程主要包括:长短波辐射、云微物理、湍流和深浅对流和海陆面等下垫面参数化方案,新版南海台风模式重点研发了海陆面参数化方案(SMS方案),改进了积云参数化方案(NSAS方案),并且引入地形重力波拖曳参数化方案(KA95方案)。预报模式的覆盖范围:81~161°E,0~51°N。水平格距为0.18°,垂直方向分65层,时间积分步长为100 s。2015年批量试验结果表明,新版南海台风模式预报性能稳定,误差较小,与EC全球模式同样本比较,发现短时效(如0~24 h)两模式台风路径预报误差水平基本相当,而较长时效(如48~72 h),南海台风模式的预报误差小于EC全球模式,具备较好的业务应用价值。     

适用于GRAPES模式C-P边界层方案的设计和实现

基于K廓线闭合方案,通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置,将温湿倾向在整层上直接计算,设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案,使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调,解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题,同时避免了耦合时反复插值造成的误差,提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明:C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值,消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动,使温湿廓线分布更合理,减小了模式预报误差,形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。     

高阶精度有限差分方案下的非跳点网格试验:基于浅水波方程

非跳点网格在模式动力—物理过程的耦合方面具有独特的优势,但是由于二阶精度差分方案下非跳点网格频散误差较大而很少被使用于数值天气预报模式.随着近年来数值模式计算精度的不断提高,非跳点网格在频散关系方面的计算误差是否会发生变化还有待研究.本文在高阶精度差分格式下通过浅水波方程对跳点网格和非跳点网格的频散关系进行理论分析和数...     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

天津市多模式气温集成预报方法

在遗传算法和粒子群算法的基础上,采用权重分配方法开展基于混合演化算法的多模式气温集成预报方法研究。利用2012年5—10月中国气象局GRAPES模式、北京市气象局BJ-RUC模式、中国气象局T639模式、天津市气象局TJWRF模式24 h预报时效的逐6 h地面2 m高度气温和35个天津区域自动气象站点资料,通过逐日滚动建立集成预报模型,对混合演化算法的多模式气温集成预报方法进行了绝对误差在2℃以内的分级、分类及分站检验分析。结果表明:使用该方法建立的气温集成预报模型具有比较可靠的预报能力,预报误差明显小于任一成员,预报准确率高。按绝对误差不大于2℃的检验标准,2012年35个站逐6 h气温、最低气温、最高气温的集成预报平均准确率分别为76.34%,77.88%,78.00%。     

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,...     

Impacts of a Large-scale Adaptive Blending Scheme for CMA-MESO on Regional Forecasts-A Case Study of Typhoon Haima

Large-scale atmospheric information plays an important role in the regional model for the forecasts of weather such as tropical cyclone (TC). However, it is difficult to be fully represented in regional models due to domain size and a lack of observation data, particularly at sea used in regional data assimilation. Blending analysis has been developed and implemented in regional models to reintroduce large-scale information from global model to regional analysis. Research of the impact of this large-scale blending scheme for the Global / Regional Assimilation and PrEdiction System (CMA-MESO) regional model on TC forecasting is limited and this study attempts to further progress by examining the adaptivity of the blending scheme using the two-dimensional Discrete Cosine Transform (2D-DCT) filter on the model forecast of Typhoon Haima over Shenzhen, China in 2016 and considering various cut-off wavelengths. Results showed that the error of the 24-hour typhoon track forecast can be reduced to less than 25 km by applying the scale-dependent blending scheme, indicating that the blending analysis is effectively able to minimise the large-scale bias for the initial fields. The improvement of the wind forecast is more evident for u-wind component according to the reduced root mean square errors (RMSEs) by comparing the experiments with and without blending analysis. Furthermore, the higher equitable threat score (ETS) provided implications that the precipitation prediction skills were increased in the 24h forecast by improving the representation of the large-scale feature in the CMA-MESO analysis. Furthermore, significant differences of the track error forecast were found by applying the blending analysis with different cut-off wavelengths from 400 km to 1200 km and the track error can be reduced less than by 10 km with 400 km cut-off wavelength in the first 6h forecast. It highlighted that the blending scheme with dynamic cut-off wavelengths adapted to the development of different TC systems is necessary in order to optimally introduce and ingest the large-scale information from global model to the regional model for improving the TC forecast. In this paper, the methods and data applied in this study will be firstly introduced, before discussion of the results regarding the performance of the blending analysis and its impacts on the wind and precipitation forecast correspondingly, followed by the discussion of the effects of different blending scheme on TC forecasts and the conclusion section.     

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。     

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.     

GRAPES模式后处理技术改进应用研究

详细梳理了GRAEPS模式后处理系统的计算方案,进行了GRAPES模式后处理中海平面气压计算方案的改进,温度垂直插值方案的改进以及位势高度的垂直插值外插方案的改进等。假定温度廓线随地形高度变化并满足静力平衡条件,对海平面气压及位势高度外插进行改进,改进后海平面气压和低层等压面的位势高度场在青藏高原和南美洲西部等大地形处改进明显,均方根误差和距平相关系数改进较大并通过显著性检验。对温度垂直插值采用的原始插值层进行改进,使得高层等压面温度场的准确性进一步提高,统计检验评分在各区域都有不同程度的提高,尤其是热带地区和东亚地区高层温度场改善明显。这些都为模式产品用户提供了更可靠的数值模式产品。     

热带风压场平衡特征及其对GRAPES系统中同化预报的影响研究Ⅱ:动力与统计混合平衡约束方案的应用

研究I的结果表明:线性平衡方程(LBE)在热带地区不适用,而进一步改进方向是削弱LBE在该区域的约束程度。本文以此为基础,在GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球变分同化系统中引入动力与统计混合平衡约束方案。新方案在逐层求解LBE的基础上增加垂直方向的线性回归,回归系数随纬度和高度变化。针对背景误差协方差的分析表明,新方案可以更好的保证独立分析变量间预报误差不相关的基本要求,并大幅度减小热带地区平衡气压预报误差方差的量值和占总方差的比例。单点试验结果表明,与LBE方案相比,新方案对中、高纬影响很小,但在热带地区成功实现了风、压场分析的解耦,两者分析更为独立。并且,虽未考虑具体波动模态,但新方案给出的风、压场协相关结构与研究I的理论分析结果相近。一个月的同化循环与预报结果表明,引入新方案后,赤道外地区的同化预报效果为中性偏正,而热带地区风场的同化预报效果显著提高,LBE方案中平流层低层的风场同化预报异常被基本消除。