GRAPES物理过程的优化试验及程序结构设计

新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构, 开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包, 物理过程的完整性与国外先进的模式相当. GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的3层结构程序界面, 为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面. 通过个例数值试验, 对格点暴雨现象进行了分析, 改进了垂直速度计算方案, 通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数, 对降水方案进行了优化; 结果表明, 物理过程降水方案经过改进后, 基本消除了虚假的格点暴雨现象, 提高了降水预报的准确率.     

全球有限区数值预报模式动力框架的试验验证

全球有限区通用数值预报模式是21世纪数值预报模式的发展趋势, 为此“十五”期间中国气象局发展了一个GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球有限区多尺度非静力数值预报模式. 为了验证GRAPES模式方案设计的科学性、程序编写的正确性, 针对模式的特点设计了一套完整的理想试验方案来对GRAPES动力模式的性能进行检验, 包括用于检验中尺度模式的密度流和三维地形波试验; 用于检验近极地半拉格朗日上游点和极区离散方案正确性的越极地气流试验等. 密度流试验显示模式框架对精细尺度的非线性流及其瞬变特征有较强的模拟能力; 三维地形波试验说明GRAPES模式动力框架能够较好地模拟气流过山时重力内波的水平与垂直传播. 而越极地气流试验验证了模式对极地半拉格朗日上游点及近极地的离散处理是正确的. 实际个例试验表明, GRAPES全球模式对影响中国夏季的大尺度环流形势有较好的预报能力.     

中国国家级新一代业务数值预报系统GRAPES的发展

数值预报是世界各国业务天气预报最重要的手段, 是一个国家气象综合能力的集中体现. 2000年, 中国气象局在中国气象科学研究院组建了国家气象数值预报创新基地, 建立和发展具有自主知识产权、面向21世纪的“新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统(GRAPES)”. 近年来, GRAPES取得了快速发展, 自主研究建立了从模式到同化、有限区/全球一体化的研究与业务通用的数值预报系统. 对GRAPES数值预报系统进行了简要评述, 从模式系统整体设计方面说明GRAPES数值预报系统的先进性; 从已经实现的多领域应用方面说明GRAPES数值预报系统的多种应用性; 通过区域和全球GRAPES模式的回报试验结果, 说明GRAPES数值预报系统在业务应用中的有效性.     

新一代沙尘天气预报系统GRAPES_CUACE/Dust: 模式建立、检验和数值模拟

基于中国气象局数值预报基地研发的新一代全球/区域同化、预报系统(GRAPES)的中尺度预报模式(GRAPES_meso)和中国气象科学研究院大气成分中心开发的大气化学模块(CUACE/dust), 建立了中国沙尘天气预报系统(GRAPES-CUACE/Dust). 该系统引入了中国地区最新的土地沙漠化资料、中国沙漠沙尘气溶胶的光学特性资料、逐日变化的土壤湿度和雪盖资料. 模式质量守恒性能良好. 将批量实时预报结果与地面天气观测和臭氧分光计反演的气溶胶指数(TOMS AI)的对比表明: 模式能够比较准确地预报中国以及东亚地区沙尘天气发生、发展、输送以及消亡过程, 能够对起沙量、干、湿沉降量、沙尘浓度以及沙尘光学厚度等一系列要素进行实时定量预报. 以2006年4月7次主要沙尘天气为例, 分析了起沙和干、湿沉降以及沙尘大气载荷的时空分布等特征. 结果表明, 2006年4月东亚地区沙漠向大气中注入沙尘总量约为2.25亿吨, 沙尘排放以下面三大源区为主: 中国北部内蒙古和中蒙边界附近沙漠为东亚沙尘最重要的排放源, 沙尘排放量为1.53亿吨, 占排放总量的68%. 塔克拉玛干沙漠沙尘排放量位居第二, 将近4000万吨, 占沙尘排放总量的17%, 浑善达克沙地排放量约为1500万吨, 占排放总量的7%. 其他地区的沙漠、沙地以及废弃的耕地等的沙尘排放量之和只占沙尘排放总量的8%. 2006年4月东亚地区沙尘沉降总量为1.36亿吨. 沙尘沉降的区域分布表明, 三大沙漠源区同时也是沙尘的主要沉降区, 三大源区的沉降量大约占沉降总量78%, 共1.35亿吨的沙尘在三大沙漠源区沉降, 其次是源区下游的中国大陆地区, 沙尘沉降为沉降总量的16%, 大约200多万吨. 120ºE以东的中国近海、韩国、日本以及西太平洋地区沉降量只占总沉降量的6%左右, 约85万吨. 干、湿沉降的分析表明, 由于4月中国北方地区干燥少雨, 在2007年4月的沙尘沉降总量中, 以干沉降为主, 大约占沉降总量的94%, 湿沉降只占沉降总量的6%左右.     

GRAPES新一代全球/区域多尺度统一数值预报模式总体设计研究

新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统(global/regional assimilation and prediction system, 缩写为GRAPES)已在中国气象局研究建立. 该系统的核心技术包括: 资料变分同化; 半隐式-半拉格朗日差分方案和全可压/非静力平衡动力框架; 可自由组合的、优化的物理过程参数化方案; 全球、区域一体化的同化与预报系统; 标准化、模块化、并行化的同化与模式程序. 针对GRAPES系统的正确性、有效性, 已经进行了一系列的标准测试和应用模拟试验, 包括常规资料分析应用、雷达和卫星非常规资料直接分析应用试验. 该系统已在国家级、区域级气象业务中心运行, 在实际气象业务中发挥了重要应用. 本文重点介绍数值预报模式, 包括总体设计思路与策略、多尺度统一动力模式构建、物理过程参数化方案组合优化、模式程序结构设计等; 同时, 还通过介绍GRAPES模式的模拟试验和实际应用结果等, 展示多尺度统一模式的可行性和科学性、实际应用的能力和水平.