新一代数值预报系统GRAPES研究及其初步应用试验

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1、、一代数值预报系统(GRAPES)研究及其初步应用试验+陈德辉薛纪善等”(中国气象科学研究院数值预报研究中心，北京100081)摘要中国气象局组织本系统有关科研与业务力量，联合中科院及教委多所大学，以卫星和雷达遥感资料直接同化应用为重点，在3年多一点的时间里，自主研究建立了中国气象局新一代多尺度通用的同化与数值预报系统(GRAP尽，Global／RegionalAssimilationandPrEdictionSystem)。该系统的核心技术包括三维变分同化、并可向四维变分同化拓展；半隐式一半拉格朗日方法和全可压非静力平衡动力模

2、式：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。利用自主研究建立的GRAP历系统进行了一系列的应用模拟试验，包括常规资料变分分析应用、雷达和卫星非常规资料直接变分分析应用试验，以及2003～2004年暴雨和台风过程个例数值模拟试验，其结果令人鼓舞，显示了GRAPES良好的技术性能和业务应用潜力。同时，还进行了水平分辨率从数百千米到数十千米、一千米(理想场试验可达数百米、100米)范围内的多尺度模拟试验，其结果表明多尺度统一模式是可行的。关键词：数值预报资料同化

3、变分技术多尺度统一模式并行计算1引言近二十年来，我国数值预报研究和业务应用取得了长足的进步，但离社会与经济的发展对气象服务的需求和国际先进水平还有较大差距。于是，在新世纪之初，为了满足国家经济建设与社会发展对气象服务的需求和加快缩小我国数值预报与国际先进水平的差距，中国气象局把实现我国气象数值预报技术的跨越发展作为新世纪的主要发展目标之一，决定集中人力、物力、财力开展面向21世纪的数值预报创新研究，并按新的机制建立了中国气象局数值预报创新基地，即中国气象科学研究院气象数值预报研究中心。依托数值预报创新基地，组织中国气象局系统有关

4、科研与业务力量，+本论文获“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”和国家自然科学基金课题的资助。“这是一项团队研究的成果，本团队人员包括(不分先后)许健民、庄世宇、朱国富、张华、刘志权、陆风、沈学顺、杨学胜、胡江林、张红亮、宋君强、徐国强、沈元芳、孙健、袁佳双、陈伯民、金之雁、伍湘君、黄丽萍、施培量、曹燕、陈贤、陈峰峰、纪立人、陈嘉宾、张道民、陈雄山、庄照荣、李兴良等等。87联合中科院及教委多所大学，以卫星和雷达遥感资料直接同化应用为重点，争取在未来较短的时间内(5年左右)，自主研究开发建立具有中国气象

5、局新一代资料同化与数值预报系统。数值预报创新基地也以承担“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”为标志，拉开了自主研究开发我国新一代资料同化与数值预报系统的新序幕。在国家科技部和中国气象局的共同支持下，白2001年以来，经过中国气象局各业务与研究部门、中科院、有关大学等单位的科学家的齐心努力下，“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”取得了多项重要成果，在资料同化、中尺度优先区域模式、全球中期预报模式、并行计算、数值预报支持系统等各个领域都取得了重要突破和进展。2变分同化方案及

6、其初步数值试验自主研制了三维变分同化框架GRAPES一3DVAR，其主要技术特点包括在ArakawaA格点的经纬度网格和等压面分析、增量法分析计算、空间维数可调、用LBFGS方法求解控制变量的极小化问题、通过物理变换和平衡关系变换进行模式变量和分析变量分离、对于独立的各分析变量假定水平和垂直方向上可分离的误差结构函数进行预调节处理，其中应用物理量之间关系、平衡关系和垂直方向特征值分解、水平方向递归滤波等一系列方法。此外，系统能实现模式变量的质量场为位势和温度的可选、湿度场为相对湿度和比湿的可选，和平衡关系变换中地转平衡和线性平衡

7、的可选，等等。实现了对卫星垂直探测器的辐射率资料与雷达资料的直接同化，以及其它卫星导出产品和常规资料的同化应用试验，卫星辐射率资料同化应用rttov7模式，实现了各种探测仪器红外、微波等辐射率资料同化的模块化。这一变分同化系统适用于全球或有限区域模式，它对卫星资料的同化能力为解决长期阻扰我国数值预报水平提高的资料应用不足问题的解决具有特别重要意义。一批GRAPES一3DVAR三维变分分析应用(包括卫星资料、雷达资料和常规资料应用)实例显示，其对台风、暴雨等灾害性天气的预报有明显改进。将GRAPES一3DVAR三维变分方案分别与A

8、REM研究模式和HLAFS业务模式连接，形成新的分析预报实验系统，分别进行了2003年6、7、8连续三个月的实时降水预报试验，降水预报TS评分表明，GRAPES一3DVAR方案的结果明显优于原模式初值化方案的结果，尤其是大雨到暴雨以上两级的预报。3新一代数值预报