数值预报计划与阶段成果陈德辉.docx
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数值预报计划与阶段成果陈德辉
GRAPES中国气象局新一代数值预报系统创新研究
计划及阶段成果
中国气象科学研究院数值预报研究中心
（2004年3月1日）
一、计划简介
2000年10月，中国气象局党组做出一项战略性决策，依托中国气象科学研究院、国家气象中心、国家卫星中心，联合组建数值预报研究创新基地，即数值预报研究中心，集中人力、物力自主创新研制中国气象局新一代数值预报系统：
GRAPES系统（英文缩略词为：
Global/RegionalAssimilationandPrEdictionSystem，全球/区域同化预报系统）。
2000年9月，国家科技部批准“十五”国家重点科技攻关项目“中国气象数值预报系统技术创新研究”立项（以下简称GRAPES项目），GRAPES的研究开发工作正式启动。
GRAPES项目研究的主要目的是在可预见的21世纪初叶高性能巨型计算机能力和可获取的高时空分辨率气象观测资料条件下，充分吸收国内外的研究新成果，自主开发建立起中国新一代气象数值预报体系。
总体目标是以四维变分同化技术、建立在新的通用动力框架基础上的、模块化的不同尺度气象数值预报模式及数值预报支持系统为研究重点，自主开发建立一套具有持续自主创新能力的气象数值预报新体系，包括资料四维变分同化系统、有限区域中尺度数值预报系统、全球中期天气数值预报系统以及环境支持系统，其技术性能达到国际同期先进水平。
最终通过对气象数值预报技术的创新研究、系统的更新换代，实现数值预报技术的跨越发展，并建立起持续发展创新的基础平台，使21世纪的中国气象数值预报达到发达国家的同期先进水平，满足国民经济和社会发展对气象预报服务不断增长的要求。
该模式系统将融合国内外最近几年在大气科学、探测技术、计算机等方面的最新成果，并将作为新的气候模式系统的大气环流模式原型，将成为我国新一代全球中期天气预报和区域中尺度天气预报业务系统的基础与核心，最终为气象科研人员提供一个业务与科研共享、大气科学及相关应用基础科学数值模拟研究的共用平台，这对于加强研究机构与业务单位之间的合作，加快研究成果向业务转化的步伐具有重要的意义。
项目包括四部分：
（1）观测资料的四维变分同化系统；
（2）模块化通用数值预报动力模式；
（3）区域中尺度与全球中期数值天气预报系统；
（4）数值预报支持系统。
整个计划分两个阶段（表1为GRAPES项目计划进度安排）：
（1）2001-2003：
完成以卫星观测资料为主的中尺度和全球变分同化系统的研究开发，以及建立在多尺度通用动力框架基础上的新一代中尺度和全球中期预报模式的开发；建立区域中尺度与全球中期数值天气预报试验系统。
（2）2004~2005：
对前三年发展的新一代数值预报试验系统进行优化完善，形成新的数值预报应用系统，最终实现建立我国具有完全自主知识产权的、达到21世纪初叶国际先进水平的数值预报系统。
同时研究建立分辨率高于1KM的精细预报系统有望为北京2008年的奥运会提供精细的气象预报。
表1、GRAPES项目计划进度安排
二、GRAPES系统的研究进展
该项目自2001年启动以来，经过广大科研人员的艰苦努力，在以下5个方面取得重大进展：
1、资料同化：
变分同化是近十几年发展起来的新同化技术，该技术使大量的非常规观测资料如卫星、雷达、风廓线仪、GPS等在数值预报系统中得到成功应用，大大地改进了分析、预报的质量，目前3D-VAR、4D-VAR已成为当前同化方法发展的主流。
如ECMWF,法国气象局、英国气象局、日本气象厅、NCEP的等业务系统，NCAR和一些大学及研究机构等。
目前我国的数值预报业务系统仍采用最优插值分析方案。
与国外相比，通过GTS传输的卫星资料仅有十分之一得到利用，造成大量卫星观测资料被闲置；另一方面，在常规观测资料奇缺的地区如海洋、青藏高原等灾害性天气频发或源头地区，分析质量极低，数值预报质量长期得不到改善。
而变分同化则是解决这一问题的有效手段，国际上九十年代开始同化系统的升级的目的就是实现卫星辐射数据的直接同化，并对预报质量的提高产生了决定性的影响。
另外，中国气象局计划在3~5年内在全国布设126部多普勒雷达（如图1），这也迫切需要开发具有同化雷达资料能力的中尺度变分同化系统。
图1、2005年底中国多普勒雷达网
（1）GRAPES同化系统的科学设计方案
根据Lorenz（1986），气象资料三维变分同化（3D-Var）归结为如下目标函数的极小化问题：
（1）
其中，
是分析变量；
为背景场；
是观测误差协方差，
是观测值；
是由分析变量导出的观测值；
是背景误差协方差；
为观测算子。
因此需要找出目标函数J的极小化。
如绝大多数的3-DVAR方案一样，上述的目标函数应该写为增量
的形式。
为了减少极小化过程中价函数的计算开销，引入了不同于模式预报变量的一组分析变量：
（2）
其中
，
分别为流函数和速度势；
为位势。
，
为速度势和位势高度场与流函数平衡的部分，带下标
的变量表示变量的非平衡部分。
GRAPES3-DVAR方案的主要特点包括：
增量分析
分析空间：
对有限区模式采用格点空间，水平为ArakawaA网格，垂直为标准等压面；
可同化的资料包括来自GTS的常规资料，如TEMP,SYNOP,SHIP,AIREP,SATOB,SATEM；
模式变量为
；分析变量包括
，
；控制变量w易于求解B。
对质量场和风场，采用简单的地转平衡或线性平衡方程；
采用归滤波代替背景误差相关，垂直模的EOF函数替代垂直相关来求解B；
引入预处理（precondition）变换
加速最优化迭代的收敛速度；
有限内存的LBFGS变尺度算法作为最优化算法；
观测算子：
包括常规观测和卫星反演产品及卫星辐射资料；
除观测算子做空间插值外，无其它的物理转换。
（2）理想场试验
为了检验3D-VAR设计方案及程序，利用单个观测并假定背景场均匀分布分别进行了一维（图2）、二维（图3）递归滤波试验。
图4给出了给定一个单点位势高度φ的GRAPES3D-VAR的相关系数个例。
图2、一维高斯分布递归滤波试验
图3、2D单点位势高度试验结果
（a）位势高度（b）u分量（c）v分量
图4、相关系数
（3）:
GRAPES3D-VAR个例试验
理想场试验验证GRAPES3D-VAR方案及程序正确无误后，用常规资料进行了一系列的个例试验。
图5给出了分别采用GRAPES3D-VAR（红线）和不采用GRAPES3D-VAR（蓝线）的分析方案提供的初始场在2003年8月份模式预报的降水TS检验结果。
可以看出，在长江流域和华南，3D-VAR的评分都比OI好。
（a）长江流域（b）华南
图52003年8月份OI与GRAPES3D-VAR降水TS检验
为了同化卫星辐射观测资料，从ECMWF引进了一个快速辐射传输模式RTTOV-6，该软件包包括速辐射传输模式、其正切线性模式和伴随模式。
目前，GRAPES3D-VAR可以同化多中观测资料，包括常规资料、NOAA16和NOAA17的ATOVS资料、云-水轨迹、雷达导风和多普勒回波等。
这也是国内自主开发的第一个三维变分同化系统。
2002年7月2日~6日，Rammasun热带气旋在西北太平洋生成，将ATOVS资料同化的分析场作为WRF模式的初值进行了模拟。
结果显示（图6），TOVS资料明显改善了热带气旋的初始条件，如热核、气旋和反气旋的切线风环流，更好地捕捉住了水汽的垂直结构。
这大大改进了台风路径的预报，如模式积分45小时后，Rammasun的位置在朝鲜半岛的东部，与实况非常接近（图8）；而无ATOVS的预报的位置则位于朝鲜半岛的西部。
（a）无ATOVS，背景场（b）有ATOVS，3D-VAR
图6、沿23NT的垂直剖面图
（a）无ATOVS，背景场（b）有ATOVS，3D-VAR
图7、沿23N
的垂直剖面图
Fig.8Rammasun台风的观测位置与预报
2．通用模式框架的进展
GARPES模式系统是一个全球与有限区通用、静力与非静力可选的多尺度数值预报模式。
（1）科学设计方案
在对国内外数值预报模式充分调研的基础上，如英国气象局新一代非静力统一模式、ECMWF、加拿大的GEM、美国的MM5,ARPS,RAMS,WRF，法国气象局的Meso-NH和ALADIN、HIRLAM等，提出了GRAPES模式的设计方案。
该模式的主要特点包括：
（1）采用全可压原始方程；
（2）静力平衡与非静力平衡可以开关式置换；
（3）半隐式半隐式半拉格朗日时间平流方案（A.StaniforthandJ.Cote,1991）；
（4）经-纬度格点的网格设计（图9）；
（5）水平ArawawaC格点（ArakawaandLamb,1977）（图10）；
（6）三维矢量质点轨迹计算方法（Batesetal.,1990）；
（7）高度地形追随坐标（Gal-ChenandSomerville,1975）；
（8）尺度有限区域模式和全球区域模式通用；
（9）拉格朗日“准守恒”平流格式；
（10）垂直方向非均匀“跳层”分布和水平方向Arakawa-C“跳点”格式设置；
（11）Charney-Philips垂直分层设置（图11）
从模式的整体特性来看，GRAPES模式基本上代表了未来8~10年数值预报模式的发展方向，而WRF模式组和日本气象厅近几年也正在积极发展基于半隐式半拉格朗日的非静力多尺度通用数值预报模式，从这一点上看，GRAPES模式的开发成功已使模式的整体理论框架处于世界先进水平。
图9、经-纬度格点的网格设计图10、Arakawa-C网格
图11、Charney-Philips垂直分层设置
（2）三维Helmholtz方程solver
由于GRAPES模式采用半隐式时间积分方案，因此需要求解一个庞大的、含交叉系数的稀疏矩阵，需要确定诸如Helmholtz方程系数求解的精度及离散方案、方程中地形项的处理、近200个系数的离散等。
该方程求解的不准确将直接影响到模式其它预报变量的预报精度，因此如何保证方程求解的正确性是模式调试过程中首先需要解决的问题，而迭代效率也是模式开发中必须面对的现实。
分别实现了用多重网格法（Multi-Gridmethod,MG）和广义共轭余差法（GeneralizedConjugateResidualmethod,GCR，EisenstatS.C.etal.,1983）求解GRAPES模式的赫姆霍兹方程。
（3）理想场方案设计与试验
模式动力框架的理想场检验试验是新数值预报模式设计研制必不可少的步骤。
一个完整的数值预报模式包括动力框架和各种物理过程参数化方案，其数值预报还包括模式初值、边界条件等问题，数值模式预报结果的好坏是整个数值模式各环节共同影响的结果，难于区分问题的来源和原因。
为此GRAPES模式共进行了平衡流、密度流或者“冷泡”试验（Strakaetal.,1993）和地形扰动试验（Smith,1980）三种理想场试验。
平衡流试验：
假定模式基本状态廓线满足静力平衡：
位温满足：
其中N为Brunt-Väisällä常数，令
满足地转平衡：
在无地形的条件下，根据拉格朗日质点轨迹沿流场方向移动变化的特点，空气质点必须沿水平风分量场
作水平的、东西向的直线运动。
分别利用全场均匀的定常流和垂直温度梯度为常数的平衡流作为理想初始场，进行了模式的可靠性和正确性验证，结果基本正确。
图12给出了模式积分1年后的结果。
可以看出两者几乎是完全一致，拉格朗日质点沿流场方向移动，质点轨迹无任何改变！
这表明新一代半隐式-半拉格朗日模式的空气质点轨迹计算是正确的、稳定的。
图12平衡流试验结果。
左：
初始场；右：
模式积分1年后
密度流试验结果（图13）与Strakaetal.（1993）给出的分辨率为25m的标准格点收敛解相比较，除了涡旋的发展细节和位相稍滞后以外，GRAPES模式所模拟的Kelvin-Helmholtz切变不稳定涡旋发展过程与标准解很相似。
两者的差异可能是由于本试验模式采用的分辨率较粗（100m）、拉格朗日线性插值计算方法精度低、忽略流体粘性扩散作用等因素所致。
图13密度流试验结果。
左：
Strakaetal.（1993）的结果；右：
GRAPES的结果
地形扰动理想场试验（Smith,1980）是非静力模式普遍采用的一个检验基准。
GRAPES模式的模拟结果（图14）与分析解析解、德国新一代非静力平衡模式以及日本气象研究所新一代非静力平衡模式的模拟结果非常相似，如垂直倾斜结构、水平地形波列等。
图14地形扰动理想场试验结果。
左：
水平地形波；右：
垂直地形波。
（4）GRAPES模式实际个例试验
为了满足业务与科研的双重需求，天气模式与气候模式的统一，GRAPES模式采用静力/非静力可选、全球与区域模式可选、水平及垂直分辨率可变的设计方案。
在理想场确定科学设计方案与程序编写无误的前下，进行了实际个例试验。
选取的个例为2003年7月9日的梅雨锋降水。
初始场和侧边界条件均来自国家气象中心的全球中期预报模式T213L31的分析场，侧边界条件每6小时更新一次。
图15给出了GRAPES非静力模式的模拟结果，可以看出降水的落区、位置、强度与观测非常接近。
图15（a）GRAPES模式24h预报（b）降水实际观测
图16给出了2003年11月6日00UTC的降雪模拟，GRAPES模式模拟的降雪落区、位置、强度与观测非常接近。
图16（a）GRAPES模式24h预报（b）降雪实际观测
图17为2003年7月22日发生的第七号台风“伊布都”用不同分辨率模式模拟的预报结果。
这说明多尺度通用模式是可行的，随着模式分辨率的提高，模拟的台风的结构更接近于卫星图像。
图17卫星图像及不同模式分辨率
（280km,60km,30km,10km）的预报结果
3、中尺度GRAPES系统
根据我国天气气候特点，在对中尺度预报模式的物理过程方案进行优选、优化的基础上，研究建立了模式的物理过程模块。
预报动力框架按中尺度模式配置后，与物理过程模块连接，形成中尺度预报模式，并进而建立起预报模式试验系统。
将卫星ATOVS资料（AMSU-aandAMSU-b）和Doppler雷达资料直接同化到模式出市场中进行了两个个例试验。
模拟结果如图18~21所示。
在ATOVS的影响试验中，GRAPES3D-VAR用到的资料量（32853份报）比OI（2253份报）多15倍（图18）。
在天鹅和伊布都台风模拟中，可以看出ATOVS资料在台风结构的模拟上的正的效应（图19）。
图18GRAPES3D-VAR用到的ATOVS资料量
图1924小时累积降水量（2003/07/22）。
左上：
无ATOVS；右上：
有ATOVS，下：
卫星图像
在多普勒雷达影响试验中，引入雷达资料（图20）明显改进了中尺度风场结构（图21），降水预报也得到改进（图22）。
图20、12UTC/02/09/2003杜鹃台风雷达资料覆盖
左：
风；右：
反射率，用到900个报告
图21850hPa24小时风场
12UTC/02/09/2003~12UTC/03/09/200324
左：
无雷达资料；右：
有雷达资料。
图22同图21，24h降水预报
4．全球GRAPES中期模式系统
在有限区GRAPES模式版本的基础上，考虑到中期预报的需求，对物理过程参数化软件包进行了优选，进行了两个理想场试验。
平衡流试验：
流型在积分10年后仍保持不变（图23）。
图23全球平衡流试验
上：
积分1天；中：
积分10天；下：
积分10年
穿越极地气流试验：
图24分别给出GRAPES全球模式初始扰动Exner气压初始场及5天预报场的演变情况。
模式基本上模拟出了过极地气流的变化与Exner气压，二者迭加在一起风与质量场也配合得较好，说明极地的处理是正确的。
图24（a）初始扰动Exner气压（b）扰动Exner气压5天预报
选取的实际个例试验为2003年7月22日12点（GMT）的伊布都台风，分析场由国家气象中心全球中期预报模式T213L31提供，模式水平分辨率取
，垂直方向取31层，模式层顶为35000米，包括实际地形。
图25、26分别给出了模式积分一天与5天500hPa高度场以及对应的分析场，预报结果与分析场非常接近。
图27为相关系数，5天后相关系数仍高达0,75。
图25GRAPES全球模式24h500hPa高度场；（b）T213L31分析场
图26GRAPES全球模式120h500hPa高度场；（b）T213L31分析场
图27200hPa高度场相关系数
5、GRAPES模式的支持环境
模式动力框架按照标准化、模块化要求进行程序的设计与编写。
实现了模式程序结构设计，按模块化、标准化、并行化、可插拔的要求，从而为模式今后的可持续发展与便于广大科学家的广泛参与创造了条件。
建立了适合于GRAPES系统的标准初始化及后处理系统；制定了数值预报系统标准化、模块化的编程标准，开发了Fortran77源程序向Fortran90源程序自动转化工具。
图28GRAPES模式在Alpha-ES40上并行效率
蓝线：
串行；红线：
并行
五、GRAPES的发展计划
在过去的三年里，虽然GRAPES模式开发取得了重大突破，但这些技术成果还需要经过大批量的业务环境试验来优化，才能最终形成实际业务能力。
作为业务数值预报系统的两大主要组成部分，资料同化系统与预报模式还未按业务化的要求整合成统一的同化预报系统。
而系统的最终效果，不仅取决于系统各部件的技术先进性，还与整体协调性、可靠性以及对业务环境的适应性有关。
因此，需要在前三年研究成果的基础上，进行大批量的数值试验，在此过程中对模式的试验系统进行多方面的调整，才能实现我国数值预报业务系统跨越发展的最终目标，形成我国新一代数值预报系统的完全业务能力，并将新的研究开发成果应用到国家急需的领域，如奥运服务所需要的主要城市数值预报等，使项目产生更大的经济与社会效益，并推广到区域气象中心、省市级气象局等，大学、水文、航空、军队等气象部门。
作为GRAPES模式系统的一体化发展战略，数值预报研究中心将致力于发展基于GRAPES全球模式基础上的用于短期气候预测（月、季、年）的大气环流模式，及更高分辨率的中β~γ尺度模式和now-casting技术，为气候模式系统的发展奠定基础。
；
GRAPES–ChineseNewGenerationofNumericalPredictionModelSystem:
ProjectandRecentProgresses
ChineseMeteorologicalAdministration
Zhong-Guan-CunSouthStreet46#,100081,Beijing,P.R.ofChina
（February29,2004inBeijing）
1.AbriefintroductionoftheCMA’sGRAPESProject
GRAPES（shortformofGlobal/RegionalAssimilationandPrEdictionSystem）isaR&DprojectrecentlylaunchedforthedevelopmentofnewgenerationnumericalmodelsysteminChina.Themajorobjectivesoftheprojectare
（1）todevelopnewnumericalweatherpredictionsystemsforbothoperationalandresearchusesbasedontherecentachievementsinatmosphericsciences;
（2）tosetupabaseforfurtherdevelopmenttowardthenewclimatesystemmodelforthestudiesonclimatechangeandoperationofshorttermclimateprediction;（3）toenhancethelinkbetweenacademicresearchandoperation,andtoacceleratethetransferofresearchresultstooperationalapplications.Theprojectcomprisefourmaincomponents:
（1）variationaldataassimilationsystemswithstressonthedirectassimilationofsatelliteandradardata;
（2）unifiedmodeldynamiccoresuitabletodifferentscales;（3）newglobalandregionalNWPsystemsbasedontheunifieddynamicframewithoptimizedphysicalpackage;（4）supportingsoftwareforthenewNWPmodelsinhighperformancecomputerenvironment.
Itisemphasizedthatnewresultsofresearchesanddevelopmentsinthefieldsofdataassimilationandnumericalmodelsshouldbewidelyadoptedinthenewsystems.Theapplicationofnewtechnologiesisexpectedtoresultinbetterperformanceofthenewmodelsystemsandhigherflexibilityforthefurtherupgradingofthesystems.
TheGRAPESprojectisoneofthenationalkey-researchanddevelopmentprojectscosponsoredandsupportedbyChineseMinistryofScienceandtechnologyandChineseMeteorologicalAdministrationThisfive-yearprojec
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