线性化物理过程对GRAPES 4DVAR同化的影响

线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善切线性模式预报精度,来提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。线性化物理过程的开发首先需要简化原非线性化物理过程中的强非线性项,然后对线性化物理过程进行规约化,以抑制切线性扰动的异常增长。目前GRAEPS全球模式中的线性化物理过程主要包括次网格尺度地形参数化、垂直扩散、积云深对流和大尺度凝结。线性化物理过程预报精度的检验方法是通过选择合适大小的初始扰动（同化分析增量）,来比较非线性模式和切线性模式中的扰动演化的纬向平均误差。然后以绝热版本的切线性模式为基础,通过冬、夏两个个例试验来分别检验4个线性化物理过程的12 h预报效果。试验结果表明,通过添加次网格地形参数化和垂直扩散两个干线性化物理过程方案,可以有效抑制住绝热版本切线性模式低层扰动的异常增长,大幅度改善切线性模式预报效果。通过添加积云深对流和大尺度凝结两个湿线性化物理过程,可以在热带区域和中、高纬度地区提高切线性模式中湿变量和温度变量的近似精度,提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。      

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。     

REM模式伴随系统的建立及其四维变分资料同化初步试验

Regional-Eta-Coordinate-Model（REM）中尺度模式对中国区域性降水显示出公认的较高预报能力,建立其四维变分资料同化系统是完善该模式,进一步提高其预报效果的重要工作。本研究编写了REM模式的切线性模式和伴随模式,介绍了建立REM模式伴随系统的过程,并利用实际天气个例资料,分别对REM模式的切线性模式、伴随模式及定义的目标函数梯度进行了正确性检验,检验结果表明对REM模式的切线性模式及伴随模式编写是成功的。利用REM模式的伴随系统,对1998年06月08日00时到09日00时和2000年08月01日00时到02日00时两个实际天气个例进行了四维变分资料同化试验。从数值试验的结果分析可以看到,进行四维变分资料同化后,两个天气个例在预报结束时刻其预报结果对风场和湿度场的预报都有明显改善,对温度场和高度场的预报也有所改善。对于累积降水的预报,两个个例利用四维变分资料同化后得到的初始场进行的预报结果则有较大不同,在个例1中,变分同化后对降水中心的位置和降水强度的预报都有明显改善,预报结果更接近于观测场;个例2中,变分同化后对降水中心位置和强度的预报则没有改善,产生这种现象的原因可能是由于定义的目标函数中没有加进背景场项,也可能是由于采用的观测资料时次比较少,还需要进一步进行研究和试验。     

GRAPES全球四维变分同化分析场质量的初步诊断分析

为了深入认识全球四维变分同化系统(Global Regional Assimilation and Prediction System Four-Dimensional Variational,GRAPES 4DVAR)分析场质量,利用2019年3月1日至2020年2月29日GRAPES 4DVAR 7层等压面的高度、...     

改进的切线性模式对一个边界层模式变分资料同化的改善

大气、海洋中边界层物理过程的强非线性会对切线性模式近似（尤其是当积分时间长时）有较大的影响，从而给相应的4维变分资料同化问题的求解造成困难。本构造了Mellor-Yamada湍流封闭模式（level 2.5)的一个改进的切线性模式，相比通常的切线性模式和简化的切线性模式可以提高对非线性扰动的逼近。利用这个改进的切线性模式的伴随模式分别进行了1到7天的变分资料同化试验，得到了满意的结果。而用通常的伴随模式和简化的伴随模式都无法得到令人满意的结果。     

GRAPES伴随模式底层数据栈优化

GRAPES伴随模式是其四维变分同化系统的核心组成部分。由于其计算过程复杂,临时数据较多,实现中采用断点存储策略可以有效减少伴随模式的计算时间和存储空间。极限断点存储策略是在单积分步内以全存储策略实现为基础,将其中部分基态以计算代替的一种类断点存储策略。在该策略的支持下,需要一种新的数据管理结构,来保证程序的正确运行。文章提出了在已有栈基础上优化的新数据存储管理方式——嵌套多链栈,这种结构可有效满足使用极限断点存储技术实现GRAPES伴随模式的初态管理需求。试验表明:相比断点存储技术,在总内存增加不超过30%的情况下可使GRAPES的运行效率提高1倍。     

基于切线伴随技术计算GRAPES-Meso模式的奇异向量

集合数值天气预报的关键问题就是如何生成有效的初始扰动。奇异向量反映了初始扰动在大气系统相空间中演变发展的最不稳定方向,基于奇异向量产生的集合样本是模拟概率密度函数的最合理方法。以非静力、半隐式半拉格朗日GRAPES-Meso中尺度数值预报模式为基础,采用Lanczos迭代算法,利用GRAPES-Meso的切线伴随模式计算GRAPES奇异向量。为了检验求得的奇异向量的正确性,提出了两种检验奇异向量正确性的方法:一是比较计算的奇异值的一致性;二是依据特征向量在矩阵变换中的方向不变性意义,验证GRAPES奇异向量空间结构的正确性。最后研究了不同的时间间隔对GRAPES奇异向量的影响,结果表明GRAPES奇异向量在36小时的最优时间间隔误差增长速度最快,这表明在非静力、半隐式半拉格朗日格点模式中利用切线伴随技术计算奇异向量是可行的。     

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全球三维变分同化业务系统性能

近年来,GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球:三维变分同化技术的发展与改进情况,包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果,以探空资料作为参考,对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较;以ERA-Interim再分析场作为参考,对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明:GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场,性能上达到了业务化的要求,但相比NCEP FNL分析场还有一定差距,特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。     

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。     

The REM Adjoint System and Its 4DVar Data Assimilation Experiments

The Regional Eta-coordinate Model(REM) has performed well in forecasting heavy rainfalls in China in recent years.A four-dimensional variational assimilation system(4DVar) is developed to improve the forecast skill of the REM.The tangent linear model and adjoint model codes are written according to thecode to coderule,and the establishment of the REM adjoint modeling system is introduced in detail in this paper.The tangent linear and adjoint models of the REM are validated against the observational data,...     

GRAPES全球模式的动能谱分析

大量的观测资料表明在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度范围(800 km以上)与波数呈现出-3的斜率关系,而过渡到中尺度范围(400 km以下)二者呈现出-5/3的斜率关系。模式预报结果能否展现大气动能谱的这种斜率转折特征已经成为模式评估的有效方法。本文采用GRAPES全球中期数值预报模式2013年5月的预报结果,计算了模式一维和二维动能谱,并分析了二维谱的旋转分量与辐散分量、平均分量与扰动分量的关系。结果表明,GRAPES模式的一维谱和二维谱结果均能较好地表现出动能谱的斜率转折特征,但该模式动能谱在中尺度范围的斜率绝对值明显比观测结果和其它模式结果偏大;二维谱的旋转分量和辐散分量、平均分量和扰动分量在总动能谱中的比重关系及其随高度的变化均与文献结果较为一致。总之,GRAPES模式整体上较好地再现了大气动能谱的各种特征,但是可能由于模式分辨率和耗散作用的影响,模式对大气中尺度波动的描述还不够充分。     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

GRAPES全球四维变分同化系统极小化算法预调节

在进行多次外循环更新的增量分析框架下,前一次极小化迭代过程中产生的信息可提供给下一次极小化做预调节。该文在GRAPES全球四维变分同化系统中对极小化算法——L-BFGS算法实施了这种预调节,通过全观测的个例试验和批量试验进行评估,发现进行预调节后L-BFGS算法的收敛效率得到明显提高,而且在1个月的循环试验中表现十分稳定。该工作可以帮助GRAPES全球四维变分同化系统有效减少极小化的迭代次数,有利于满足业务化运行的时效要求。另外,间隔6 h和间隔24 h的两次4DVar分析对应的海森矩阵变化不大,因此,前一时刻极小化过程产生的信息提供给后一时刻的极小化进行预调节也有一定效果。     

GRAPES Hybrid-3DVar对台风苏迪罗的数值试验

为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。     

Numerical Simulation and Evaluation of a New Hydrological Model Coupled with GRAPES

Hydrological processes exert enormous influences on the land surface water and energy balance, and have a close relationship with human society. We have developed a new hydrological runoff parameterization called XXT to improve the performance of a coupled land surface-atmosphere modeling system. The XXT parameterization, which is based upon the Xinanjiang hydrological model and TOPMODEL, includes an optimized function of runoff calculation with a new soil moisture storage capacity distribution curve(SMSCC). We then couple XXT with the Global/Regional Assimilation Prediction System (GRAPES) and compare it to GRAPES coupled with a simple water balance model (SWB).For the model evaluation and comparison, we perform 72-h online simulations using GRAPES-XXT and GRAPES-SWB during two torrential events in August 2007 and July 2008, respectively. The results show that GRAPES can reproduce the rainfall distribution and intensity fairly well in both cases. Differences in the representation of feedback processes between surface hydrology and the atmosphere result in differences in the distributions and amounts of precipitation simulated by GRAPES-XXT and GRAPES-SWB. The runoff simulations are greatly improved by the use of XXT in place of SWB, particularly with respect to the distribution and amount of runoff. The average runoff depth is nearly doubled in the rainbelt area, and unreasonable runoff distributions simulated by GRAPES-SWB are made more realistic by the introduction of XXT. Differences in surface soil moisture between GRAPES-XXT and GRAPES-SWB show that the XXT model changes infiltration and increases surface runoff. We also evaluate river flood discharge in the Yishu River basin. The peak values of flood discharge calculated from the output of GRAPES-XXT agree more closely with observations than those calculated from the output of GRAPES-SWB.     

GRAPES全球奇异向量方法改进及试验分析

基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。      

基于GRAPES的气象-水文模式在淮河流域的一次试验

Global-regional assimilation and prediction system(GRAPES)模式为中国气象局于2000年开始组织研究开发的数值预报系统,GRAPES_Meso模式是其区域中尺度数值预报系统版。GRAPES_Meso中的陆面模式选取的是Noah-Land Surface Model(NOAH-LSM)模式。NOAH-LSM陆面模式选取Simple Water Balance(SWB)对陆面水文过程进行描述。SWB是一个简单水量平衡模型,不能完整地描述陆面水文过程,特别是对径流的模拟存在不足。随着GRAPES_Meso模式不断的发展,对预报能力的要求逐渐提高,对其陆面模式中产流过程的描述也需要进一步的研究。本文中所应用的改进陆面水文过程的NOAH-LSM陆面模式,借鉴了水文模型的思想,利用蓄水容量曲线描述单元网格内产流面积的变化,并在模式中增加Muskingum汇流模块,完整陆面模式水文循环。将原GRAPES模式和改进陆面水文过程的GRAPES模式分别与新安江模型进行单向耦合,选取模式TS评分相差不大的试验流域——淮河流域上游控制站王家坝站,进行流量模拟对比。从试验结果可以看出,改进后的模式在洪量相对误差、洪峰相对误差、确定性系数上均优于原模式,并为未来利用水文模型对降水落区检验进行了探索性研究。