对数场面气压梯度的数值计算方法比较

在192×96球面高斯格点上，我们用几种常用的数值计算方法，计算一个理想的地气系统的对数场面气压梯度，通过对比可以得出，在这样的网格点上，用样条函数方法计算对数场面气压梯度的结果比用谱方法（包括T21，T42，T63）的计算结果好。     

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.     

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.     

强雷暴环境的中尺度模拟

1.引言本文评述了当前有限区域中尺度模式提供中纬度强雷暴环境的准确预报以及风暴对环境可能的反馈作用的能力.这里的"中尺度模式"指的是用水平格距Δx=10～100公里作为在静力学原始方程中的有限差分近似.对平流波来说,要有满意的截断误差至少需4—6个格点(Pielke,1981),而要准确地计算非线性波的相互作用,则需近10个格点(Gerrity,1972).因此,这些模式适合模拟的天气现象尺度为Orlanski(1975)定义的中β尺度(25—250公里)上部到中α尺度     

GRAPES全球模式背景误差协方差水平结构特征分析

基于1个月的GRAPES全球模式模拟资料,采用NMC方法统计了GRAPES全球模式的背景误差协方差,从背景误差的谱曲线和水平相关特征尺度2方面对背景误差协方差的水平结构进行分析,并与欧洲中心的计算结果进行比较。结果表明:2种模式的谱曲线变化趋势较为一致,背景误差的动能谱和位势高度功率谱均在1—7的波数范围逐渐增大,在7—14的波数范围取得最大值,之后随着波数的增大,谱值逐渐减小;在波数20的范围内,总动能谱随波数的衰减主要由旋转动能谱随波数的减小造成。采用谱方法和格点方法进行水平相关特征尺度的计算,结果表明二者计算得到的背景误差的水平相关特征尺度随高度的升高而增大,随波数的增大而减小,但谱方法的计算结果大于格点方法。     

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。     

日本气象厅业务谱模式评述

12层半球谱模式已投入业务使用。模式的水平分辨率为42波数的三角截断,并引入了一些物理过程(包括短波辐射日变化和云的影响)。投入业务前,对该模式检验了近一年,并与业务格点模式进行了比较。结果表明,该模式在多方面优于格点模式。其原因并不仅仅由于谱方法的使用,而是由于较高的分辨率,初值化,分析方法等的不同。谱模式的有效预报为5—6天。该模式预报斜压扰动的突然发展、台风运动及其他重要天气现象十分有效,相当准确。     

应用于双向套网格模式的一种变格距差分解法

本文提出了一种用于双向套网格模式的变格距差分计算方案。该方案在不同格距的网格区采用不同精度的差分格式，它自然地连接粗细网格，避免了一般套网格方案在粗细网格相重合点上进行的重复计算。用解析法和数值试验证明了:它与其它一些变格距差分格式相比，对短波的穿透能力有明显改进，虚假的反射也较小。应用该方案建立了正压原始方程双向套网格模式，并采用空间分解和时间分解计算方法。这不仅使二维问题转化为二个一维问题，而且二维套网格也可简化为一维均匀网格和一维套网格两部分，从而使计算和程序简化。用理想场为初值所做的一系列数值试验表明，该模式中的波可以自由进出粗细网格区，计算稳定。最后，还用该模式做了台风路径预报试验，给出了一些试验结果。     

非静力滞弹性模式中水平分辨率与垂直分辨率的协调性初探

为了理论上研究非静力滞弹性模式中水平分辨率与垂直分辨率之间的搭配问题，以线性斜压滞弹性方程组为出发方程，导出解析的频散方程、水平群速方程和垂直群速方程，同时在最优三维网格C／CP下进行离散，也导出频散方程、水平群速方程和垂直群速方程，然后用图示的方法，比较了在不同的水平和垂直格距下模拟解析解所产生的误差。结果表明：当垂直格距和水平格距相当时，在C／CP网格上对惯性重力波的频率、水平群速和垂直群速都能较好地模拟，产生的相对误差均在5％以下。     

一个全球七层大气环流谱模式及其30天长期数值天气预报试验

本模式是原北半球七层原始方程谱模式的发展，它包含了较完整的物理过程。模式的方程组求解方案能有效地克服在散度方程中以及在σ坐标系中在大地形附近计算气压梯度力项时所存在的大量之间小差的问题，模式的非线性项的谱计算方法有其优越性。本文给出了利用本模式以及用实际观测资料的客观分析场为初始场作30天长期数值天气预报试验结果。从多个个例的结果可以看出，模式的预报效果令人满意，在整个30天内，模式的预报误差都比对应的持续性误差小，而且在低纬地区也具有上述特点。这表明，本文提出的全球七层大气环流谱模式具有30天长期数值预报能力。     

英国气象局数值预报模式简介

一、引言经过五十年代和六十年代初期的研究,1965年英国气象局的数值天气预报正式投入业务。1972年前在KDF 9计算机上计算三层准地转模式;1972年后在IBM 360/195计算机上计算十层气压坐标的原始方程模式。这个模式同时在两个范围做预报,即水平格距为300公里,15°N以北的半球预报模式和包括英伦三岛在内的水平格距为100公里的局地细网格模式。这     

介绍一种用近似多项式手算物理量的方法

动力分析在暴雨、冰雹等强对流天气预报中的重要性是众所周知的。近年来不少台站在天气预报分析中开始注重计算散度、涡度、垂直运动速度、水汽通量、水汽通量散度等物理量。这些物理量由于目前计算条件的限制,大部分采用手算。其方法多采用差分法。但差分法一般要求取正方形或菱形网格,若气象测站地理位置不规则就不能直接应用差分法,必须把气象站观测资料,通过一定的资料处理再用插值方法或客观分析方法变成有规则格点上的值,以后方能进行差分计算。因此,手算差分法就比较费事,不便于日常预报业务中使用。计算物理量也常用三点法,三点法较适合于手算,但计算格     

全球中期模式升级关键技术研发和预报试验

随着模式分辨率的提高,对地形、海陆分布的描述更加精确,从而对天气和次天气尺度动力学的刻画也更准确,但计算需求和存贮量也将有比较明显的增加。因此,在模式分辨率提高的同时尽可能减少计算和存储量是模式发展的重要方面。文中采用规约线性格点,在高斯格点数和格点分布不变的情况下,把国家气象中心业务全球谱模式的水平分辨率由T213提高到TL319,从而使全球谱模式的计算有效率增加了2.25倍;实现了稳定外插两个时间层的半拉格朗日方案,解决了传统的半拉格朗日方案在计算轨迹中点的速度和发展方程的非线性项时,采用时间的线性外插带来的计算噪音,提高了模式积分的稳定性,从而使模式的积分时间步长从900 s增加到1200 s;在这两个关键技术实现的基础上,实现了TL319模式与业务OI同化方案的耦合,进行了连续1年的滚动试验,并对降水预报和500 hPa形势场预报进行了统计学检验,与现行全球中期业务模式的预报也进行了对比分析。分析结果表明,提高模式谱分辨率后,模式的动力过程保持合理稳定,对东亚地区500 hPa位势高度场的预报性能有所改进,对中雨和大雨量级的降水预报在大部分时效也都有改进,但是小雨预报TS评分略有下降。另外对冬、夏季的两次降水过程的天气学分析表明,TL319L31对天气过程的描绘比T213L31也有一定提高。     

三种高分辨率格点降水预报检验方法的对比

客观有效的评估高分辨率模式格点降水的预报能力,不仅是模式发展中的基础问题,而且直接关系到目前中国气象局主推的格点天气预报业务。以ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)模式高分辨率降水格点预报资料、CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与全国3×104个自动观测站的逐时降水量融合资料为基础,选择2015年6~8月55个降水个例,研究传统检验方法、面向对象MODE(Method for Object-based Diagnostic Evaluation)方法、以及邻域法在高分辨率格点降水预报检验中的适用性及优缺点,以期为高分辨率格点降水的预报性能评估提供参考。主要结论如下:(1)尽管点对点的传统方法在高分辨率格点降水检验中存在一定的局限,但传统方法能够在空间上表现高分辨率格点降水预报技巧的地域性差异,在时间上刻画预报的整体性能,对高分辨率格点预报性能评估仍然具有重要的适用价值;(2)邻域法的显著优点在于一方面能够通过变换邻域窗获得不同空间尺度上的传统预报技巧,另一方面独有的FSS(Fractions Skill Score)技巧评分能够表现预报相对于观测降水在格点数量上的比值,结合FSS和不同邻域窗上的传统技巧评分,可以判别在多大空间尺度上能够获得较好的预报技巧;(3)MODE方法在变换卷积半径的基础上提取降水对象,基于降水对象不仅能统计模式的传统技巧评分和预报性能的尺度变化,还可以表现降水对象的质心距离、轴角、面积、强度、综合收益、位移距离等多种属性,这些属性首先为用户提供了模式预报性能的多视角表现,其次从侧面定量描述了模式对天气系统发展快慢、槽脊强弱等预报误差,具有独特的优势,但如何应用对象属性来提高实际的预报能力还存在一些困难。     

如何使用数值预报的直观图形制作MOS预报

MOS预报工作在我国已开展多年了,原来大都是用网格点读数进行必要的数学处理,以后再分型和挑选因子建立预报方程。但是从1983年开始日本数值予报传真图几个主要图面缩小了,给格点读数造成很大困难。为此我们改变格点读数的方法,试用直观图形制作MOS预报。这样做不仅可以克服格点读数的困难,而且还有它的优越性,透明度大大加强了,预报员的经验可以比较充分地使用到MOS预报中去。以烟台4月降水MOS预报为例,把我们的做法和体会作一简要的介绍。     

欧洲中期预报中心谱模式预报性能的初步分析

欧洲中期天气预报中心(ECMWF)从1983年4月21日起更换了业务模式,启用了改进地形影响的谱模式,这个新业务模式垂直分层仍为15层,水平方向取63波。同时还增播了地面气压场预报资料。通过夏半年的应用和检验,我们初步认为,新的业务模式的3—5天预报质量比格点模式有所改善,对东亚强锋区上气旋加深的预报,以及西太平洋副高季节性变动的预报有较好的指导作用,500毫巴和地面两层形势预报资料,对于     

长时效的正压原始方程能量完全守恒(拟)谱模式

遵循误差反演补偿新计算原理,对正压原始方程传统气象全球拟谱模式方案进行了改造,构造了正压原始方程能量完全守恒全球拟增模式新计算方案,解决了正压原始方程的（非线性）计算稳定性问题和能量守恒整体性质保持问题,改进了相应正压原始方程传统气象全球拟谱模式方案的计算效能。新方案的数值试验表明：在计算实践上,新方案在解决能量守恒问题的同时,可解决（非线性）计算稳定性问题,并在一定条件下可解决非线性计算收敛性问题。进一步的比较数值试验还表明：在计算实践上,新方案具有在提高相应传统气象方案的计算精度,减少其计算量的同时,延长其计算时效,解决其中一类特定“气候漂移”问题方面的效用。本工作原理也适用于斜压原始方程情形。     

确定数值预报模式中扩散系数的一个客观方法

当数值预报模式的分辨率得到提高时,模式中扩散系数的数值大小必然随之改变。通常情况下,一方面,扩散系数的数值应足够大（即有下限值）,以便过滤掉模式中不想要的小尺度噪音;另一方面,扩散系数的数值应尽量小（即有上限值）,以免出现计算不稳定。本文提出一种确定高分辨率模式中扩散系数数值大小的客观方法,即＂双试验＂（twin experiment）同化方法（初始低分辨率模式的预报结果作为＂观测资料＂,新的高分辨率模式作为同化模式）,从而通过伴随变分同化方法来确定控制变量（即扩散系数）的数值大小。本文采用一维浅水模式测试和描述上述试验方案。通过低分辨率模式预报结果和高分辨率模式预报结果的比较（高、低分辨率模式预报结果的比较在低分辨率模式格点上进行）,采用最小二乘法可客观求得适用于高分辨率模式的扩散系数的＂最优＂值。数值试验结果表明,采用这种方法得到的高分辨率模式的扩散系数,不仅能过滤掉模式中不想要的小尺度噪音,而且能够避免出现计算不稳定。研究还指出,当扩散系数的大小略微超过其上限值时（这种情况在极小化迭代中有可能会出现）,计算不稳定的出现将使目标函数的数值迅速增加,并导致极小化程序收敛的失败;时间步长的减小（约20%）可以显著地改进目标函数的条件数,从而可避免极小化程序收敛的失败。     

有地形模式中气压梯度力误差扣除法

：在现有有地形的数值模式中，陡峭地形区气压梯度力的计算存在一个普遍问题，即计算精度较高的格式比较繁琐而费时，简单省时的格式又不精确和不稳定。为解决这个问题，作者等在最近提出了一种方法，称为气压梯度力的误差扣除法。该方法假定：气压梯度力的计算误差主要来自地形而与气压形势关系较小。用理想场对该方法进行检验后表明，这一方法是成功的。本文则用气候模式对作者提出的有地形数值模式中气压梯度力的误差扣除法进行了模拟检验。所用模式是作者等使用多年的Ｐ－混合坐标系５层模式，选用了四种气压梯度力的计算格式，即ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式、平均温度格式和经典中央差格式。比较了这四种格式在有无误差扣除时的模拟结果，发现：对于计算精度较高的格式，如ＤＤＤ格式、Ｃｏｒｂｙ格式及平均温度格式，有无误差扣除的结果相差不大，但误差扣除法仍可在一定程度上改善模拟效果。对于计算精度差的格式，如经典中央差格式，在无误差扣除时计算不稳定，得不到模拟结果，进行误差扣除后，从根本上提高了其计算精度，因而也提高了计算的稳定性，达到了较满意的模拟效果。而且与其它格式的模拟结果相当接近。本文提出的误差扣除法可同时用于格点模式和谱模式。     

雅安市温度预报方法1.02版(TFMV1.02)

通过计算2002年11月到2003年2月ECM-WF850hPa格点温度预报值与雅安市各县、区实测温度偏差,用获得的平均偏差建立了雅安市各县、区未来六天的逐日平均温度、最高温度、最低温度的预报方程;用Microsoft Visual Basic 6.0编写程序,通过Micaps系统与模式套用界面实现资料获取与预报输出的自动化处理.