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。     

三次样条函数(格式)准拉格朗日积分方案Ⅱ——样条格式非静力全可压动力框架与密度流试验

采用样条格式二阶时空离散预报方程与显式-准拉格朗日积分方案,建立非静力全可压数值模式动力框架,对气压、气温(位温)、风及广义牛顿力(加速度)场做三次样条函数拟合,实现各个变量场二阶可导,并且按牛顿运动定律,显式迭代插值求上游点"三次运动"路径(三维位移)与预报变量值,同时求得一个时间步长三维位移的平均散度场,并以此绝热变率预报压、温场。其中,通过对静力方程做三次样条拟合,可从非静力气压场分离出(满足静力方程)时变的静压场,从而无须引入大气参考廓线,并因此准确(二阶精度)计算出垂直气压梯度力与位移。密度流试验表明,上述非静力全可压动力框架能够模拟出高度非线性的密度流,初步验证样条格式做"三次"数值模式动力框架的一致性和精确性,同时分析了与密度流试验benchmark参考解相比较存在差别的原因。     

高度场垂直插值方法的数值预报试验

本文假设温度场与气压对数成逐段线性分布。在有地形时,气压梯度力项采用在P坐标系计算的方法,即回插法。分别用理想地形和温压场分布及两个实例检验了高度场垂直插值不同方法的误差。结果表明,假设高度场随气压对数平方成逐段线性分布的方法,可以简化计算,节省机时,计算精度也较高。     

复杂山地环境下气候要素空间插值精度比较研究

空间插值可以提供每个计算栅格的气候要素资料,该文运用反距离加权插值法（IDW）、普通克里格插值法、薄盘光滑样条函数拟合法3种空间插值方法,对1971--2000年西南地区复杂山地环境下92个气象站点温度、降水以及相对湿度的各月气候平均值和多年平均值进行了空间插值。并进行了交叉验证和随机站点验证,运用绝对平均误差（MAE）、相对平均误差（MRE）及均方根误差（RMSE）作为插值精度检验的标准。结果表明：插值方法中,薄盘光滑样条函数插值法在山地环境下对3种气象要素的插值精度是最优的,特别是对于温度和降水,而对于相对湿度3种方法差别不大,都可以满足精度要求;在时间尺度上,对于温度相对较低、降水量相对较小的冬季,3种插值方法插值精度都相对于夏季和年平均明显较差,相对湿度插值精度季节差异不明显。     

应用样条插值提高GRAPES模式物理过程反馈精度

GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 模式动力框架中垂直方向变量的跳层设置采用Charney-Phillips分布,在整层上进行位温、水物质的计算,物理过程中在半层上对其进行处理。这样在GRAPES模式中,进入物理过程之前和物理过程计算完毕之后,都要采用线性插值进行整层和半层之间物理量的转换。由于线性插值精度欠佳,为提高上述反馈过程的精度,并保证水物质的正定性,该研究引入样条插值,并在水物质的插值过程中进行保单调处理,有效减小了位温场、水物质场的预报偏差,并提升了模式的综合预报性能。     

GRAPES业务全球集合控制预报初值的动力升尺度方法

以生成GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值为目的,基于GRAPES全球模式,开展了控制预报初值生成方法研究,发展了高分辨率初值动力升尺度方法,并检验了不同方法的可行性。通过对比不同方法产生的初始场形态,证实了仅仅对高分辨率初始场进行二维水平插值存在不足,基于静力学方程对Exner气压变量进行三维插值至关重要。结果表明,动力升尺度方法利用静力平衡关系,对全场的温压场进行调整,使之协调平衡,可以改善二维水平插值方法导致的初始位势高度场和温度场的噪音问题,产生适用于GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值。     

一种依据初始场构造的参考大气廓线及对高原地区预报的影响

地形追随坐标系下的动力学方程组通常都要引入参考大气的概念来减少气压梯度力的计算误差.参考大气的一般取法是满足静止和静力平衡关系,实际大气被看成在参考大气上的偏差.实际大气与参考大气越接近,它们之间的偏差就越小,计算就越精确.参考大气的取法一般有等温大气、定常温度廓线、初始资料进行水平平均的垂直温度廓线等.本文在一个非静力的中尺度模式中选取经过水平平均的初始温度场的垂直廓线构造模式的参考大气廓线.但是初始资料在三维空间是离散的,这里根据三次样条函数的分段连续光滑的性质,构造了随起报时间不同而不同的,只随高度变化的解析形式的参考大气廓线.构造的参考大气廓线完全满足静力平衡关系,方程中的静力平衡部分可以得到最大限度地扣除.试验表明,与等温大气相比,这种根据初始状态选取的参考大气和实际资料更接近,在大地形附近气压梯度力的计算误差更小,500 hPa高原附近的24 h气压预报更精确.     

数值模式中气压梯度力的算法试验

本文在差微差一致性二阶精度的坐标变换公式的基础上,推导出了气压梯度力计算的新公式。同时,根据静力扣除法原理,提出了初值静力扣除法,用以计算有地形数值模式中的气压梯度力。将这两种新的方法与二阶计算精度的回插法和局地等温法(Corby格式)相比后发现:新方法(文中称为经典修正法)与回插法精度相近,但可节省计算时间,比局地等温法精度高。静力扣除法则效果较差,但其原因可能在于地转风垂直插值方法有误差。本文的试验模式是上海台风研究所的业务数值预报模式,文中对模式及若干技术处理也作了简要介绍。     

温度初值确定之合理性与气压梯度力项的计算

本文讨论数值试验中两个基本问题:温度初值确定和气压梯度力的计算。首先比较几种利用静力方程差分解求温度初值方案所引起的误差,提出一种把等压面高度场插值与静力方程微分解结合起来求取等σ面温度初值的方法,结果表明用这种方法确定的温度初值及其水平分布和垂直递减率接近实测值。文章又讨论山脉地区气压梯度力计算问题,表明气压梯度力的计算精度不仅与计算方案有关,而且与温度初值有很大的关系。利用本文提出的方案得到的温度初值来计算气压梯度力,误差达到比较满意的精度。     

全球质量守恒准均匀经纬网格三次样条函数变换准拉格朗日积分方案与模拟个例

三次样条函数(样条格式)为二阶可导非线性格式,但样条格式线性部分是二阶导数中央差。本文在简谐波真解条件下,推导证明二阶导数中央差比一阶导数中央差的空间截断误差以及相速和群速误差均减少一倍。借鉴谱模式动力框架核心思想,高斯网格二维谱变换半隐式-半拉格朗日积分方案,研究准均匀经纬网格样条格式变换显式-准拉格朗日积分方案。引入原始大气运动方程,推导样条格式二阶时空离散准拉格朗日预报方程通式,得出静力守恒气压、气温预报方程,在经纬网格基础上,设计两种基本准均匀经纬网格,通过对压、温、湿、风及广义牛顿力(加速度)场做"经纬网格-准均匀经纬网格"三次样条函数变换,求得"水平双三次曲面+垂直三次样条"拟合上游点三次运动路径,用"匀加速"变率预报风场,进而求得一个时间步长平均"静力平流"三维位移散度场,并用它预报气压场增压和气温场绝热增温,从而实现全球静力质量守恒经纬网格三次样条函数变换显式-准拉格朗日积分方案,经初步积分试验,证明上述动力框架是可行的。     

一模式大气参考状态的科学计算与特征分析

采用样条格式二阶时空离散预报方程与显式-准拉格朗日积分方案, 建立非静力全可压数值模式动力框架, 对气压、气温(位温)、风及广义牛顿力(加速度)场做三次样条函数拟合, 实现各个变量场二阶可导, 并且按牛顿运动定律, 显式迭代插值求上游点\     

GRAPES模式标准初始化方案设计与实现

文章介绍了GRAPES模式标准初始化系统的方案设计及程序结构,对3种不同方案产生的初始场进行了分析。结果表明：水平风场、温度场、位温场对插值方法的精度并不是很敏感,而高度场以及气压Exner函数则对垂直插值方法的精度要求很高;在3种模式变量产生方案中,方案一的效果较差,但它计算速度快,在地形梯度不大的地方可以选择使用;方案二与方案三的效果则比较好,用户可根据自己的需求任意选择。GRAPES模式标准初始化系统在完成其主要功能的同时,通过灵活的程序设计,对标准初始化系统的区域、分辨率、垂直层次、水平插值方法、垂直插值方法等的任意选取,使得标准初始化系统可以很容易满足模式初值的各种需求,为模式开发研究实验提供了各种便利。     

一种数值模式初始场垂直插值方案的误差分析

本文对数值模式计算中的初始场进行了误差分析。采用了反复多次利用Lagrange插值和反插值的逐步订正方案,使得等压面上的原始资料插值到等σ面上后形成的初始场具有最小误差。结果表明,所采用的初值化方案收敛较快,形成的初始场精度较高。     

基于GIS的新疆地区两种气温插值方法对比研究

以新疆为研究区域,运用气温垂直订正和多元回归+残差订正2种插值方法对研究区105个气象站点2015年月、季、年均温进行空间插值,并通过交叉验证和相关分析方法对其精度进行评价。结果表明:新疆地区气温垂直订正插值法的均方根误差和平均绝对误差分别为0.58~1.79℃和0.46~1.17℃,而多元回归+残差订正插值法分别为1.47~2.89℃和0.98~2.23℃;垂直订正插值法得到的气温预测值与实测值的相关系数达0.90~0.98,而多元回归+残差订正插值方法为0.52~0.91;与多元回归+残差订正法相比,气温垂直订正法的误差更小、相关性更好,更适于新疆区域气温的插值。     

两类不同月平均气温空间推算方法的对比

利用全国660个常规气象站40年(1961-2000年)整编气象资料.采用逆距离权重反比法、样条函数法和普通克立格法等常用的3种插值方法,分析了直接插值法和综合余项法对气温插值的影响,提出了去除气温形成中的确定性部分后,以随机项进行插值可提高气温插值精度。并从空间上、时间上对比眲不同插值方法的误差,最后分析了气象站的空间分布密度对插值方法的敏感性。验证结果表明:除个别月份外,综合余项法的各项平均绝对误差均在1℃以内,比直接插值法减小了0.6～1.6℃,精度提高了38%～85%;且综合余项法的精度不依赖于台站密度的大小、插值方法的不同,具有较高的精确性和稳定性,这说明影响空间插值精度的关键因子并非是气象观测站点密度的提高、空问插值方法的改进。     

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.     

Delaunay三角剖分法在降水量插值中的应用

Delaunay三角剖分方法在空间分析中具有重要地位,文中简要介绍了Delaunay三角网特性和常用的3类算法,并对随机增长法实现过程进行了详细阐述。根据三角分片线性插值原理,求得插值系数,实现对任意点的三角分片线性插值。利用2008年中国2200个观测站的08时24 h降水量资料,对全中国范围及划分的8个区域内相应的0.28125°×0.28125°降水量格点场,使用交叉检验方法,对比分析了三角分片线性插值和反距离权重法的估值准确率。结果表明：在各区域,三角分片线性插值法的均方根误差偏小;在站点较密集的区域,均方根误差、平均绝对误差比较中,三角分片线性插值都有一定的优势;在平均误差对比中,三角分片线性插值优势明显,在全中国范围交叉检验中,三角分片线性插值法对应的年平均误差是0.005 mm,而反距离权重法为-0.107 mm,对其可能的原因进行了分析,证明了Delaunay三角剖分法的合理性。同时,从图形上展示了降水量的Delaunay三角网的三维结构图和三角分片线性插值后的格点场, 在直观上,Delaunay三角剖分后得到降水分布和实况保持一致,并有较好的视觉效果;通过三角分片线性插值得到的格点场降水量分布图,克服了反距离权重法的固有缺陷,使获得的降水量格点场趋于合理,提高了插值精度。最后,探讨了Delaunay三角网在气象领域的应用前景。     

基于DEM的复杂地形气温空间插值研究

利用江西省87个国家气象观测站点1987—2016年月平均气温资料,结合数字高程模型(DEM),建立了一个基于江西省DEM的多元线性回归空间插值模型,并与传统的反距离权重法(IDW)、普通克里金插值法(OK)和协同克里金插值法(CK)进行空间插值精度和效果对比。研究表明:基于DEM的多元线性回归空间插值方法(MLR)的误差精度和插值效果均优于其他3种传统插值方法。江西省月(年)平均气温与纬度和海拔高度呈负相关,与经度呈正相关,与坡度、坡向无明显相关性;江西省月平均气温垂直递减率约为0.35—0.65℃/(100 m),年平均气温垂直递减率约为0.49℃/(100 m)。     

925hPa资料对高度场分析和预报的影响

通过连续１５天的平行业务数据预报试验，详细地分析了９２５ｈＰａ资料的应用对高度场分析和预报的影响。结果表明，９２５ｈＰａ资料的加入对印度洋西北部及马来西亚至菲律宾以南热带地区的分析影响较大，对其余地区影响较小。总的来说对形势场分析影响不很大，且对低层的影响大于中高层。同时，可以明显地减小从Ｐ面分析场到模式σ面的垂直插值误差。此外，对２４小时预报场的影响小于对初始场的影响，同时对模式积分的平稳性和预     

ECMWF细网格模式在阿勒泰地区短时强降水环境场预报中的统计检验

利用ECMWF细网格模式产品对阿勒泰地区2013-2018年5-9月36场短时强降水过程的环境场预报性能进行统计学检验。结果表明:48 h预报时效内模式对海平面气压场、2 m温度场和露点温度场、10 m风场,500 hPa高度场、850 hPa温度场和比湿场及对流层风场预报误差较小,精度较高,在预报业务中为首选物理量;对700 hPa相对湿度场和垂直速度场预报误差较大,且以随机误差为主,在预报业务中注意订正运用。