PRM标量平流方案在GRAPES全球预报系统中的应用

如何更好地模拟水物质的分布,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。半拉格朗日模式中的标量平流计算要求做到高精度、守恒、正定和保形,但GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 中采用的QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian)平流方案在水汽的强梯度、不连续区域计算精度较低,且不能做到严格守恒。本研究借鉴计算流体力学领域的研究进展,将一个基于分段有理函数的物质平流方案PRM(Piecewise Rational Method)引入GRAPES_GFS中,按照通量形式求解水汽方程,并对极区进行了混合等技术处理。通过一系列理想试验对两种平流方案进行了对比,证明了PRM方案精度较高,特别是在水汽梯度大的区域优势明显,频散、耗散误差较小,守恒、保形性也要好于QMSL方案。通过对GRAPES_GFS中批量预报试验效果的检验,验证了PRM方案可以有效地改进模式对水物质分布的模拟,提高了降水的预报效果,对模式综合预报性能的提升也有明显作用。     

陆面参数化方案对两例不同类型暴雨可预报性的影响

以2003年7月3～4日淮河流域平流型暴雨和2003年8月2～3日江西蒸发型暴雨个例为例, 采用模式试验方法, 研究了陆面参数化方案对两种不同类型暴雨的模式可预报性的影响。关闭陆气通量的试验表明, 陆气通量对淮河流域暴雨的贡献很小, 模式预报结果之间的差异较小, 平流型暴雨具有较高的模式可预报性; 而陆气通量对热对流暴雨的贡献很大, 其误差对暴雨的分布和强度影响也较大, 蒸发型暴雨的模式可预报性相对较低。不同陆面过程参数化方案的比较试验表明, 陆气通量误差引起的能量误差仅在特定区域发展。当陆气通量误差超过一定的临界值, 能量误差将在降水区和风速大值区 (急流区) 迅速发展, 能量误差和不稳定能量同源且同时增长。从陆气通量影响天气过程的角度来讲, 模式预报启动时间选择在夜间, 能量误差发展相对缓慢, 可以延长预报时效。     

沙尘暴天气数值预报系统及其预报效果检验

沙尘暴天气数值预报系统包括区域大气模式、陆面过程模式、风沙模式(包括风蚀、输送和沉降模式)和地理信息系统。用该系统对2002年3月20日和4月7日2次沙尘天气进行了预报试验,利用地面观测资料和卫星观测资料对模式输出的主要沙尘天气预报产品进行了对比分析。分析结果认为,沙尘暴天气数值预报系统对沙通量、尘通量和垂直积分质量有很好的预报能力,但仍需改进陆面参数和沙尘气溶胶的初始值。     

一种新的正定平流方案及其在水汽预报方程中的应用

本文在Smolarkiewicz(1983)方案的基础上,提出了一种新的正定平流方案。它是无条件计算稳定的,形式简单、物理意义清楚且阻尼小,能够很容易地应用到多维模式中。文中通过一简单的平流试验,与其它几种有名的正定平流方案进行了比较;最后将这种方案应用到国家气象中心细网格有限区域业务预报模式水汽预报方程中,避免了原水汽计算方案产生严重负水汽的问题,并对24h降水预报场进行分析。     

数值预报产品系统性误差的客观订正

从评价Ｔ４２数值预报模式的性能出发，找出Ｔ４２系统性误差的特征及其订正的客观判据。高度场Ｈ和温度场Ｔ采用不同时间权重和空莘平滑的订正方案，风场ｕ，ｖ采用动力订正方案，湿度场Ｑ采用平流（风场）订正方案。并对Ｔ４２１９９２年４－５月的数值预报产品进行了客观订正，经过均方根误差缩减率η和误差比ｅ方案的检验，效果是令人满意的。     

阴阳网格上质量守恒计算性能分析

质量守恒数值计算是球面准均匀阴阳网格构造全球大气环流模式的重要条件,也是提高阴阳网格应用质量的重要技术手段。本文针对通量形式平流方程,在球面坐标上采用多种理想数值试验对阴阳网格上的三种守恒计算方案和边界插值非守恒计算方案进行了比较检验。发现,质量守恒方案不仅对全球数值积分重要,还影响数值计算精度,满足局地守恒条件的全球强迫守恒方法可以获得较高的精度;网格内质量均匀分布的阴阳网格边界通量一致性守恒强迫计算方案,实现了在不增加计算误差条件下保证局地和全球守恒的目的,且具有很小的计算负担,可以作为阴阳网格上全球质量强迫守恒的有效计算方案;而网格质量的线性分布可以有效提高阴阳网格的数值积分计算精度,但在一定程度上会增加计算负担。     

阴阳网格守恒算法的设计和改进

阴阳网格上的质量守恒算法对于阴阳网格在全球模式构建和应用具有重要意义,是模式长期稳定积分和保证计算效果的重要性能指标。本研究在已有的质量均匀分布假定下阴阳网格守恒强迫算法的基础上,构建网格内质量的双线性分布和边界通量线性分布的质量守恒强迫算法,以提高阴阳网格平流计算的精度和模式积分的稳定性。运用CIP-CSLR平流方案对通量形式平流方程数值求解,分别通过"余弦钟"平流试验、正弦波试验和变形流试验对质量双线性分布、边界通量线性分布的新方案与质量和通量均匀分布的原方案进行了对比,标准化误差和标量场分布均表明新方案可有效提高阴阳网格守恒算法的计算效果,且计算负担没有明显增加,具有较好的实用价值。     

GRAPES模式中高精度正定保形物质平流方案的研究Ⅱ：连续实际预报试验

针对半隐式半拉格朗日数值预报模式GRAPES,研究发展了与之相适合的高精度正定保形的物质平流方案--分段有理函数法(PRM,Piecewise Rational Method).文中在进行理想试验验证该方案简单、实用、易于编程对于空间变化幅度大的物理量具有较高的平流计算能力且在GRAPES模式中具有可行性的基础上,对2005年7月连续1个月的24小时降水进行实际预报试验.通过细致的个例分析、月平均比较以及TS评分计算,PRM方案实际预报结果与GRAPES模式中原来采用的水物质平流方案预报的主要雨带的分布、走向相一致,但对大雨以上量级的降水预报具有明显优势,对网格尺度的降水的影响比较敏感,进一步验证了高精度正定保形方案对实际降水预报的改进效果,表明该方案对于改进GRAPES模式大到暴雨预报能力具有较大的潜力.PRM平流方案较GRAPES原来采用的准单调正定保形的平流方案能够更加合理地计算水物质场的输送,尤其是能够很好地反映出梅雨季东亚大气下层水汽水平梯度大以及沿梅雨锋水汽的小尺度变率较大的特点描写.     

LASG-REM对1994年中国汛期降水的实时预报实验

ＬＡＳＧ－ＲＥＭ对１９９４年我国汛期降水连续实时的预报试验结果再次表明了该模式对２４小时短期降水有很强的预报能力。本文给出了该模式从６月上旬到７月下旬连续５０天的降水实时数值预报试验的ＴＳ（ＴｈｒｅａｔＳｃｏｒｅ）技术评分以及发生在６、７、８月份主要降水过程的预报和根据大部分气象站观测降水量分析的２４小时降水量等值线的比较。从６月上旬到７月下旬，ＬＡＳＧ－ＲＥＭ连续５０天的实时降水数值预报试验的ＴＳ技术评分（模式范围）平均为：雨区范围（２４小时降水大于１ｍｍ）预报的ＴＳ值为５６％；２４小时降水大于１０ｍｍ、２５ｍｍ和５０ｍｍ的ＴＳ值分别为３６％、２３％和１５％，较１９９３年的ＴＳ评分有明显的提高。模式对１９９４年造成华南、华北严重洪涝灾害的暴雨都有很好的预报。由于模式中采用了保形水汽平流方案，在整个试验期间的水汽平流计算都未出现负水汽现象。初步的比较试验结果表明，模式中对地形的有效处理和给出较合适的水汽凝结参数对模式成功预报是重要的。     

国家气象中心降水数值预报信息效益评估

以列联表形式计算熵函数，由熵函数值对国家气象中心发布的１９９６年汛期６月２２日－８月７日５次暴雨过程降水数值预报进行评估，得到５种数值预报产品给江苏省各区域的雨量预报提供了０．１８２４ｂｉｔ－０．２９１４ｂｉｔ信息等结论。     

湖北分县MOS预报系统建立与评分

在T213L31数值模式产品释用基础上,设计计算并选用模式大气中分别与降水、地面气温和风场有天气学意义的线性化预报因子,采用Kalman滤波和相似-Kalman滤波,在湖北省及邻近范围,建立实时(逐日更新样本)多站点、多时次、多要素的统计MOS预报方程,做定点(分县)、定时(6小时分辨率)和定量降水与概率、地面气温和风场客观预报(MOS预报系统)."系统"经2005、2006年6-8月业务试验表明,各个MOS预报都具稳定性和具有一定的评分水平.从而表明,相似-Kalman滤波在一定程度上消去单纯Kalman滤波"预报滞后"效应,并实现用Kalman滤波或相似-Kalman滤波做定性、定量降水MOS预报,和做地面气温和风场MOS预报,且用了实时历史样本雨/晴预报准确率,当作有/无降水发生概率.     

一种提高数值模式时间差分计算精度的新格式———回溯时间积分格式

为了使用以制作数值预报的微分方程中包含更多的信息量、以期提高预报准确度, 该文提出了一种基于记忆动力学的时间积分格式。以天气预报为实例, 计算表明, 平流方程的回溯时间积分格式所得的预报准确度大大高于传统的蛙跃差分格式。此方法在海洋、水文、环境、航空等应用平流方程计算的多种科学中亦是有效的。     

Numerical Simulation of Flow over Two-Dimensional Hills Using a Second-Order Turbulence Closure Model

We study turbulent flow over two-dimensional hills. The Reynolds stresses are represented by a second-order closure model, where advection, diffusion, production and dissipation processes are all accounted for. We solve a full set of primitive non-hydrostatic dynamic equations for mean flow quantities using a finite-difference numerical method. The model predictions for the mean velocity and Reynolds stresses are compared with the measured data from a wind-tunnel experiment that simulates the atmospheric boundary layer. The agreement is good. The performance of the second-order closure model is also compared withthat of lower level turbulence models, including the eddy-viscositymodel and algebraic Reynolds stress models. It is concluded that thepresent closure is a considerable improvement over the other modelsin representing various physical effects in flow over hills. Thefeasibility of running a finite-difference numerical simulationincorporating a full second-order closure model on an IBM workstationis also demonstrated.     

MM5在上海区域气象中心数值预报中的改进和应用

以国家气象中心数值预报产品为依托, 根据上海区域气象中心计算机资源配置情况, 用NCAR-PSU/MM5V2作为动力框架, 确定了侧边界嵌套方案、积云参数化方案和边界层参数化方案, 研制了资料分析同化方法和预报结果后处理方法及产品显示软件, 建立了上海区域气象中心第五代数值预报业务系统, 可提供华东地区138个城市每3 h一次的地面要素预报.半年多准业务运行表明, 预报效果较好, 对区域内气象台站的业务预报有良好的参考价值.     

CAPPS在国家气象中心多城市污染指数数值预报业务系统中的应用

国家气象中心在中国气象科学研究院CAPPS系统的基础上,建立了多城市污染指数数值预报业务系统,同时预报47个重点城市的SO2、NO2和PM10的日均污染指数.从2001年6月21日至7月17日的试验预报表明,总体预报准确率和与监测值的相关都在60%以上,与各城市气象局、环境保护局联合发布的综合预报准确率和与监测值的相关比较接近.说明CAPPS用于国家气象中心多城市污染指数数值预报业务系统,能够为城市空气质量业务预报提供有参考价值的数值预报产品.     

上海区域气象中心业务数值预报新系统及其运行结果初步分析

根据上海市气象局计算机资源配置情况，以NCAR-PSU/MM4为模式框架，国家气象中心数值预报产品为依托，建立了上海区域气象中心业务数值预报新系统，更新原五层模式套网格业务系统。根据有无进入区域的热带气旋而分别执行热带气旋模式或有限域模式。近一年的运行表明，计算稳定，有较好的预报效果，同时增加了预报产品，可提供华东地区25个主要城市每6小时一次的地面要素预报，供区域内省台调用。     

半拉格朗日方法及其在数值模拟和数值预报中的应用

文章对半拉格朗日方法的基本原理和技术方法做了简要介绍。对其主要优、缺点进行了评述。同时也对半拉格朗日方法的应用及研究进展情况概括地予以介绍。     

IAP／CAS的短期气候距平数值预测研究

本文介绍了中国科学院在气物理研究所（ＩＡＰ／ＣＡＳ）近十年来在短期气候距平数值预测研究方面的一些进展情况,首先介绍了近十年来准业务跨季度汛期降水预测的结果及评分,对预测的物理基础、预测可能性、集合预测方法、订正的必要性与方案进行了初步探讨,提出了我们的看法,发现预测中可能出现多平衡态,可以应用来改进不同区域的预测,并对些方法所作预测的特点、与经验半经验统计的相互配合、不同地区预测效果的差异、如何选     

THE INSTABILITY OF TRAJECTORY AND ERROR GROWTH*

The purpose of this paper is to study the dynamical mechanism of error growth in the numerical weather prediction.The error is defined in the sense of generalized energy,simply called energy error.From the spectral form of the primitive equations,we have derived the evolution equations of error in detail.The analyses of these equations have shown that the error growth rate is determined by the tangent linear equations.The nonlinear advection caused by the error perturbation itself contributes nothing to the error growth rate,and only redistributes the error.Furthermore,an approach to calculation of the error growth rate has been developed,which can also be used to study the local instability of time-independent basic state as well as time-dependence basic state.This approach is applied to well-known Lorenz's system,and the results are indicative of the correctness and significance of the theoretical analyses.     

离散点气象要素平流外推模型

大气平流方程一般用于格点场数值预报的处理,鲜有应用到离散点要素外推。离散点平流外推模型不仅使时间方向站点资料补缺更具物理意义,而且为站点要素的预报奠定基础。模型首先根据站点离散特征,对平流方程进行改造,得到离散点风速、梯度本征向量,并通过频数统计拟合出平流项似然概率的高斯表达式,以此计算出新平流方程数值解。通过对单点和多点的实况试验,得出了模型的具体应用特点,并给出了一个实际的数据补缺场景,作用显著。该模型具有小巧、高效,易用等特点,有良好的普适性,作为一个通用的数学模型,为离散点的要素预报提供了一种新的思路。