PDF《GRAPES》

公益性行业(气象)科研专项项目成果信息快递

1 GRAPES 【项目编号】GYHY201206007 【研究周期】2012 年1月至

2014 年12 月 【国 拨经费】280 万元 【项目负责人】韩威 【项目骨干成员】朱国富,刘艳,庄照荣,陆慧娟,王金成,刘永柱,王瑞文, 杨建新,朱立娟,刘桂青,杨寅,董佩明,潘晓兵,张卫民,曹小群,臧增亮 【项目承担单位】国家气象中心 【项目协作单位】解放军理工大学气象学院,国防科学技术大学计算机学院 【主要研究成果】 紧密围绕改进 GRAPES 全球三维变分同化系统的基本分析框架,更有效应 用大气观测资料,集中解决 GRAPES 全球三维变分同化系统业务化进程中的主 要科学技术问题,提高 GRAPES 全球变分同化框架的精度、运行稳定性和分析 场精度,本项目的主要研究成果包括十个方面: (1)提高了 GRAPES 变分同化 框架的计算精度.

同化系统整体梯度精度达到了

14 位有效数字, 解决了 GRAPES 全球变分同化系统中伴随检验精度只有

2 位有效数字的问题. (2)研发并建立了 GRAPES 背景误差协方差估计系统;

新统计背景误差协方差三维机构显著提高了 分析场的精度.为实现随流型变化的背景误差协方差打下了坚实的基础. (3)研 发了非等距垂直差分方案与高精度插值方案, 显著提高了高层分析精度和卫星同 化存在的问题;

解决了模式层加密和升高后高层分析存在精度显著偏低的问题. (4)借鉴数学上"极小模解",研发了卫星资料有约束的偏差订正方案,减小 了模式的背景偏差对卫星辐射率资料偏差订正的影响, 较好地去除了资料本身的 偏差,更好地利用了观测信息,提高了分析精度.解决了传统传统观测资料偏差 订正在背景(GRAPES)偏差较大时存在较大误差的问题. (5)研发了两种求解 模式面平衡方程的方案.一是辅助等压面法,二是直接求解法.解决了模式面上 动力平衡方程的求解问题. (6)研发了 GNSS 掩星折射率的偏差订正方案,有效 解决了 GNSS 掩星折射率存在的偏差及其同化引起的高度负偏差问题, 显著减小 了分析误差. (7) 实现了模式面增量数字滤波方案, 提高了增量数字滤波的效果;

实现了数字滤波的并行化域代码重构和改进, 显著提高了程序的运行效率与稳定 公益性行业(气象)科研专项项目成果信息快递

2 性. (8)研究了高分辨率 GRAPES 全球模式动能谱,并基于条件极值的思想提 出了一种新的全局搜索算法,估计动能谱曲线的转折点.发现 GRAPE-GFS 的计 算结果与理论计算结果总体一致,但中小尺度部分的斜率绝对值偏大,说明 GRAPES-GFS 对中小尺度波动的描述不够充分.设计了一种变分框架的多尺度 同化方案,即在大尺度同化的基础上,利用较小的特征尺度进行二次同化. (9) 基于后验估计方法,实现了针对 GRAPES 全球三维变分资料同化系统在观测空 间下的观测、背景的误差统计诊断系统;

分析诊断了 GRAPES 等压面系统和最 新的模式面系统的性能,发现了其中可能存在的问题,为GRAPES 变分同化系 统观测误差和背景误差以及性能的进一步优化提供了依据;

(10)深入分析了飞 机报温度资料存在的偏差,建立了飞机报温度资料偏差订正方案,显著提升了飞 机报温度资料同化效果, 减小了 GRAPES 分析场误差. (11) 建立了探空黑名单, 研发了探空资料的变分质量控制方案,提高了探空资料同化效果. 上述研究成果推动了 GRAPES 模式面 3DVar 的改进与完善,显著提高了 GRAPES 模式面 3DVar 框架的精度和运行稳定性,无论是北半球或者是东亚地 区,分析误差均显著减小,分析误差减小 40%以上.在本项目的推动下,实现了 GRAPES 全球三维变分同化系统的业务化. 项目在模式面平衡方程的求解,有约束的卫星资料偏差订正方法,GNSS 掩 星资料偏差订正等研究方面具有创新性. 【成果应用情况】 请就成果转化应用情况、对业务发展的贡献与效果,转化应用中存在的主要 问题等方面进行阐述.注意文字精炼准确,突出亮点和重点,避免流水账式的冗 长叙述. 项目成果促使 GRAPES_GFS 准实时的变分同化系统完成全面升级.项目研 发的更高梯度精度的 GRAPES 变分同化框架、非等距垂直差分方案与高精度插 值方案、模式面平衡方程及求解、背景误差协方差的改进等成果,已经集成进入 GRAPES_GFS 业务版本中,显著提高了 GRAPES_GFS 分析框架的精度. 研究成果 GNSS 掩星折射率资料的误差估计与偏差订正、 增量数字滤波及其 改进、卫星资料有约束的偏差订正方案、飞机报温度资料的偏差订正方案显著提 高了重点观测资料的同化应用水平, 显著减小了 GRAPES_GFS 3DVAR 的分析误 差. 公益性行业(气象)科研专项项目成果信息快递

3 两年的回算结果表明,本项目的成果集成进入到 GRAPES_GFS 系统后,分 析误差显著减小,GRAPES_GFS 的北半球高度场分析误差减小 40%以上,南北 半球的各变量分析场误差均明显小于 T639 模式.该项目研究成果,保证并推动 了GRAPES_GFS 中期数值天气预报模式的业务化,并保证了南北半球平均预报 效果优于业务系统 T639. 上述研究成果均已经集成到 GRAPES_GFS_2.0 版本,并且于

2015 年12 月 完成业务化应用验收,2016 年6月实现了业务化运行.其中研发的有约束的卫 星资料偏差订正方案已经应用于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的IFS 模式 系统. 【成果代表图片】 图1:GRAPES 全球同化预报系统 2010,2014,2015 年版本北半球高度场均方根误差.黑 线是 T639 北半球的分析误差,点-线虚线为 FNL 在2013 年的均方根误差.参考场为 ERA-Interim.