中国气象应用网格

"中国气象应用网格"是国家863重大专项支持的一个应用网格项目,主要针对中国气象局计算资源及科研人员分散在全国各地,气象预报面向政府、社会和公众服务的特点,建立了连接中国气象局行业内部和国防科技大学等单位在内的跨地域网格平台;在该网格平台上建立全面支持我国新一代中尺度数值天气预报系统的协同攻关环境和基于GRAPES的中尺度有限区数值天气预报业务系统,实现了应用层面的互联互通、资源共享和协同工作,提高气象部门的资源利用率、业务预报和自动化水平."中国气象应用网格"包括网格中尺度数值预报模式GRAPES、网格门户、网格计算、资源和服务共享平台、基于Ganglia的网格资源监控、数值天气预报控制界面、气象预报产品发布和可视化、源代码管理系统、网格用户注册与管理等系统.     

辐射方案对GRAPES全球模式的影响

辐射过程是中期数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。本文针对GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 全球模式非静力半隐式半拉格朗日的特点, 进行了不同辐射方案的敏感性比较试验, 以期找到一个适合于GRAPES全球模式的辐射方案。用到的方案包括WRF模式中的RRTM长波辐射方案、 NASA的Goddard短波辐射方案以及ECMWF的长短波辐射方案。试验结果表明, ECMWF的辐射方案更适合于GRAPES模式, 30天平均的北半球500 hPa高度场距平相关系数较WRF的辐射方案提高了近2%。另外, 针对实际运行中存在的辐射计算不稳定问题, 对辐射方案进行了气压订正和温度订正, 并对2005年7月影响我国的海棠台风进行了模拟试验, 气压订正后的120小时模式预报在对副热带高压和台风的描述上更接近于分析, 可用预报时效也有了明显提高。     

利用COSMIC/GPS掩星折射率资料研究海洋边界层高度的特点

利用2007—2012年的COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星折射率资料,研究全球海洋边界层顶高度的季节变化、年际变化和日变化的气候学特点。结果表明海洋边界层顶有明显的季节和年际以及区域变化特征。就年平均而言,全球海洋边界层顶的水平分布在南北两半球大致呈纬向对称分布,赤道地区的边界层顶最高;由赤道向南北两极边界层顶的高度逐渐降低,其中赤道地区平均高度约为3～3.5 km,副热带地区为2～2.5 km,中高纬度地区为1～1.5 km或以下。海洋边界层顶的日变化幅度较小,一般只有几十米到百米的变化范围,并且日变化特点随地区而有差异,有些地区的最高边界层顶出现在9—12时,另一些地区出现在15—18时。      

THE APPLICATION OF TIDAL SIGNAL EXCLUSION SCHEME FROM INITIALIZATION IN A GENERAL CIRCULATION MODEL

In this paper, some corrections was made to the assumption that the forcing is quasi-static, which is the basis of the nonlinear diabatic initialization scheme adopted by a global model T106L19. Thus the tidal signal is expressed and excluded from the i…     

HEIGHT OF ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER AS DETECTED BY COSMIC GPS RADIO OCCULTATION DATA

The characteristics of the atmospheric boundary layer height over the global ocean were studied based on the Constellation Observation System of Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) refractivity data from 2007 to 2012. Results show that the height is much characteristic of seasonal, inter-annual and regional variation. Globally, the spatial distribution of the annual mean top height shows a symmetrical zonal structure, which is more zonal in the Southern Hemisphere than in the Northern Hemisphere. The boundary layer top is highest in the tropics and gradually decreases towards higher latitudes. The height is in a range of 3 to 3.5 km in the tropics, 2 to 2.5 km in the subtropical regions, and 1 to 1.5 km or even lower in middle and high latitudes. The diurnal variation of the top height is not obvious, with the height varying from tens to hundreds of meters. Furthermore, it is different from region to region, some regions have the maximum height during 9:00 to 12:00, others at 15:00 to 18:00.     

从初始化中排除潮汐信号方案在全球模式中的应用

对国家气象中心全球预报模式T106L19原有的标准非绝热正规模初始化方案要求外强迫是准静止这一假定进行了修正,将潮汐信号在初始化条件中适当地表达出来并将其从中排除。与三维变分分析SSI的联接对比试验表明,修正潮汐信号后的新方案在消除高频重力波振荡方面与标准初始化方案有同样的效果,但该方案较标准初始化更好地捕捉住了地面气压的半日变化,更接近于未经初始化的分析场。模式7天预报500hPa高度场与分析场的对比检验表明,新方案的距平相关系数和均方根误差都较原方案有明显的改进。     

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.     

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。     

在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

边界层过程是数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。针对目前GRAPES模式中MRF边界层参数化方案存在的一些问题,引入考虑夹卷过程的改进方案,并从单柱试验和实际个例试验进行了验证。Wangara单柱试验表明,改进方案产生的边界层高度和边界层结构更合理;并在对临界Richardson数的敏感性试验的基础上,确定了适合于GRAPES模式的边界层夹卷方案。另外,对2010年第11号台风“凡亚比”进行的试验表明,改进方案的台风路径预报误差小于MRF方案,且其对降水和各物理量时空分布的描述更接近实测。      

位移和最大相关距离在ECMWF集合预报产品中的应用

文章提出了一种对集合预报产品进行自动划分的新方法, 即位移和最大相关距离。 其基本假定是集合预报成员在一定程度上代表了未来可能发生的某类天气形势, 为此引入了天气类型的概念, 并以法国中期预报员总结出的影响法国的 5 类天气形势为基础, 对欧洲中期天气预报中心(以下简称 ECM WF)的集合预报产品进行了划分。结果表明, 大气的可预报性与预报时效、预报的天气有关。 该文提出的新方法简洁直观, 便于使用, 在天气类型和实际天气之间建立了最直接的联系, 大大压缩了集合预报产品的信息量。 ECM WF 的集合预报产品对影响法国的平直型、热阻塞型、冷阻塞型、扰动型等天气形势预报效果比较好, 而对波动型则效果稍差。