GRAPES＿GFS中三维参考大气的研究：参考态构造和实际预报试验

GRAPES GFS(Global Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System)采用基于等温大气构造的一维参考大气,前期的研究工作已在GRAPES_GFS的动力框架中引入了三维参考大气,并通过一系列理想试验检验了新方法的正确性以及计算精度。本部分研究工作,主要针对实际资料的预报试验,对比分析了不同三维参考态给定方法的优劣,并采用气候平均法,进行夏季两个月的四维变分循环预报试验。检验结果显示,使用三维参考大气后,模式的综合预报性能得到了提升,对流层高度场、温度场的预报偏差有所减小,长期积分过程中模式质量损失较为严重的问题也得到了明显的缓解。另外,通过动能谱的对比也可以看到使用三维参考大气后,模式在高层的能量耗散明显较小,能谱变化与观测更加吻合。     

GRAPES_GFS 2.0模式系统误差评估

通过选取2014年1月、4月、7月、10月的GRAPES_GFS 2.0预报产品和NCEP FNL分析资料进行对比分析,发现GRAPES_GFS 2.0的系统误差具有以下特性:位势高度场误差的空间分布具有纬向条带状或波列状特征,误差大值集中在中高纬度地区,低纬度地区误差较小。误差在南北半球各自的冬季最大、夏季最小,并呈现明显的季节变化特征。误差随预报时效的增速略低于线性增速且不同预报时效下误差随高度变化的曲线趋势相似。温度场误差的空间分布相对均匀,误差大值位于30°S~30°N附近地区。纬向风场误差没有十分明显的分布规律,与纬度变化、海陆分布和地形的关系均不密切,西风误差和东风误差交替出现。结果表明:模式对冬季中高纬度地区和边界层及对流层顶的模拟技巧尚需提高。明确GRAPES_GFS 2.0的系统误差分布特性,有助于有针对性地进行模式订正,改善误差大值区域的模式预报方法。     

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务:化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说,该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。     

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。     

CMA-GFS V4.0模式关键技术研发和业务化

针对CMA-GFS V3.3强降水预报偏弱、西北太平洋副热带高压等天气系统预报衰减偏快以及模式计算效率偏低等问题,对模式物理过程与动力框架关键技术开展研发改进。在预报性能方面,通过在云微物理方案中增加霰粒子相关的微物理过程、调整蒸发速率,并在积云对流方案中改进触发条件、卷入率、准平衡闭合假定等关键因子的参数化方法,缓解模式强降水预报不足和小雨过多的问题;采用质量守恒修正算法解决模式长时间积分质量损失问题,改善天气形势预报。在计算效率方面,研制二维参考廓线方案延长模式积分时间步长,开发预条件经典斯蒂菲尔迭代（PCSI）算法提高Helmholtz方程的求解效率,对辐射方案、预估-修正算法等进行计算效率优化。通过上述关键技术的研发和应用,CMA-GFS在降水和天气形势方面的预报技巧得到显著提升,计算效率提高1/3左右,满足模式在0.125°分辨率下业务运行的时效要求,为CMA-GFS V3.3升级到V4.0奠定了基础。     

煤矸石的危害与防治

山东省煤炭资源丰富,开采历史悠久,在数10年的开采过程中,引发了诸多环境地质问题,煤矸石危害是其中之一.境内各煤矿矸石堆存量达6651万m3,占地37900hm2.侵占大量耕地、林地、居民地和工矿用地,破坏地质地貌景观.矸石堆单体过大,形成矸石山,已引发渣石流和坍塌事故.1980年以来,因此致死19人,伤多人.浸溶试验结果表明,矸石淋滤液中SO42-、F-、Mo、Se、总硬度、pH等成份或指标偏高,甚至超过<地面水环境质量标准>(GB3838-88)中的Ⅲ类水标准,局部已对水环境构成污染.煤矸石有害可溶物因地质条件、浸泡时间、堆放时间不同而变化,风化、侵蚀可导致有害可溶物的增加.莱芜煤田矸石堆附近土壤中的硫、氟、汞等成份比对照点偏高,但低于山东省土壤成份背景值.对莱芜煤田煤矸石抽样监测,其放射性低于国家<放射性防护规定>(GBJ8-74)的标准.矸石堆露天堆放过程中,粉尘及自燃产生的气体,污染大气环境.淄博矿区岭子煤矿矸石堆附近因此形成酸雨."以防为主,综合利用"是矸石危害防治的原则,煤矸石中含有煤粉、黄铁矿、高岭石等,检选这些有用矿产,具有可观的经济效益,同时可防止矸石自燃和淋滤液污染,文中对其反应过程做了分析.     

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。     

一维热扩散湖模式在太湖的应用研究

利用在太湖获得的2010年8月11-28日的观测资料研究了一维热扩散湖模式在太湖的适用性,通过对比模拟进一步研究了影响太湖湖表温度模拟的主要因子。该湖模式对太湖最初的模拟结果并不理想,模拟的湖表面温度与观测有较大的系统性偏差,温度的日变化幅度与观测相比也偏小。通过分析该模式对太湖的模拟效果不理想的可能原因,针对太湖的生态环境和污染情况,设计了18个测试参数的敏感性试验,从敏感性试验的结果分析得到,适用于太湖的、依赖于湖泊类型的3个参数应做如下修改:消光系数（η₀）应放大3倍,湖泊表层吸收的太阳辐射系数（β）应取0.8,粗糙长度（z₀）采用公式计算得到。用新得到的适用于太湖的3个参数,模拟得到的结果与最初的模拟结果和观测资料对比,发现采用新的参数后,模拟结果比最初的模拟结果有了很大的改进,模拟的湖表温度基本接近观测,模拟的湖水垂直剖面时间序列图也跟观测吻合得较好,随之的感热、潜热通量的模拟也都与观测接近。最后,对输入湖模式的主要大气参量（太阳辐射、2 m气温及风场）±10%的误差引起的模式模拟的湖表面温度误差进行分析,结果表明该湖模式对大气强迫场的误差敏感度不高;相比之下,模拟结果对风场敏感性最小,对辐射和气温的敏感度相当。     

An Adaptive Nonhydrostatic Atmospheric Dynamical Core Using a Multi-Moment Constrained Finite Volume Method

An adaptive 2 D nonhydrostatic dynamical core is proposed by using the multi-moment constrained finite-volume(MCV) scheme and the Berger-Oliger adaptive mesh refinement(AMR) algorithm. The MCV scheme takes several pointwise values within each computational cell as the predicted variables to build high-order schemes based on single-cell reconstruction. Two types of moments, such as the volume-integrated average(VIA) and point value(PV), are defined as constraint conditions to derive the updating formulations of the unknowns, and the constraint condition on VIA guarantees the rigorous conservation of the proposed model. In this study, the MCV scheme is implemented on a height-based, terrainfollowing grid with variable resolution to solve the nonhydrostatic governing equations of atmospheric dynamics. The AMR grid of Berger-Oliger consists of several groups of blocks with different resolutions, where the MCV model developed on a fixed structured mesh can be used directly. Numerical formulations are designed to implement the coarsefine interpolation and the flux correction for properly exchanging the solution information among different blocks. Widely used benchmark tests are carried out to evaluate the proposed model. The numerical experiments on uniform and AMR grids indicate that the adaptive model has promising potential for improving computational efficiency without losing accuracy.     

下一代大气模式中的数值方法综述

数值预报是逐日天气预报、气候预测和气象防灾减灾的核心科技支撑。为进一步提高预报预测的准确度和延长预见期,甚高分辨率、多圈层耦合、多尺度嵌套、多尺度集合、数值地球系统模拟技术等是下一代数值预报的重要发展方向。异构众核高性能计算机和E级计算的高速发展为这一发展提供了契机,但也对现有业务数值预报中采用的数值方法提出了挑战。此文仅对国内外下一代大气模式涉及到的数值方法进行综述,着重于数值算法、准均匀球面网格和时间积分方案等3个方面,期望为相关研究者提供参考。