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HLAFS业务预报系统改进对比试验

闫之辉 朱政慧 郝民 王雨

闫之辉, 朱政慧, 郝民, 等. HLAFS业务预报系统改进对比试验. 应用气象学报, 2004, 15(6): 706-711.
引用本文: 闫之辉, 朱政慧, 郝民, 等. HLAFS业务预报系统改进对比试验. 应用气象学报, 2004, 15(6): 706-711.
Yan Zhihui, Zhu Zhenghui, Hao Min, Wang Yu. Comparison experiment of improvement in HLAFS operational forecast system. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(6): 706-711.
Citation: Yan Zhihui, Zhu Zhenghui, Hao Min, Wang Yu. Comparison experiment of improvement in HLAFS operational forecast system. J Appl Meteor Sci, 2004, 15(6): 706-711.

HLAFS业务预报系统改进对比试验

COMPARISON EXPERIMENT OF IMPROVEMENT IN HLAFS OPERATIONAL FORECAST SYSTEM

  • 摘要: 该文以国家气象中心的有限区域业务预报模式为基础,在模式中引入了简化的混合相云方案,其中包括云水雨水的冻结、冰雪的融化等冰相过程;并把模式的水平分辨率由0.5°×0.5°提高到0.25°×0.25°经纬度网格。在此基础上建立了较高分辨率的同化预报系统,并使用实时资料进行预报对比试验。试验结果表明,改进后的降水落区预报有了明显进步,强降水中心的降雨量预报也有所增强,与原方案相比更接近于降水实况。
  • 国家气象中心的有限区域同化预报系统[1] (HLAFS)1996年6月开始业务运行,至今已连续运行了五年多。为了改进模式的预报效果,1997年对同化预报区域进行了扩展,模式的水平积分范围由64°~15°N,70°~145°E扩展为64°~5°N,55°~145°E; 1998年在上述改进的基础上,又对预报模式进行了改进,模式的水平分辨率由原来的1°×1°提高到0.5°×0.5°经纬度网格,垂直层次由15层提高到20层,对于描述格点尺度降水过程的物理方案也由描述更为细致、合理的显式降水方案[2] (未考虑冰相过程) 替代了原来的大尺度凝结方案; 上述改进较好地改善了模式的物理性能,预报效果也取得了一定的提高。

    由于计算机资源的限制,在HLAFS系统的改进过程中,仅对预报模式进行了改进,而同化系统仍然保持不变,模式的初始场由1°×1°的同化资料通过水平和垂直插值求得。这种处理方法显然使HLAFS系统存在着一定的问题:(1) 由1°×1°的同化初值插值求得的模式初值增加了插值误差,初始场的协调性能也受到了一定的影响; (2) 由于预报模式的分辨率和物理过程与同化模式不同,同化模式和预报模式之间存在着明显的不协调。这些问题的存在显然影响了模式的改进效果,但在当时的计算机条件下,提高HLAFS系统中同化方案的分辨率显然是不可能的。

    随着计算机条件的不断改善,我们对系统中存在的上述问题进行了改进,同时对预报系统的分辨率进行了进一步的提高,对模式的物理过程进行了进一步的完善,并在此基础上在IBM SP并行计算机系统上建立了并行试验系统。本文将主要介绍HLAFS系统的改进情况,模式物理过程的改进方案以及初步的对比试验结果。

    改进后的系统积分区域仍与业务预报系统保持一致,预报模式的垂直分辨率仍为20层,水平分辨率由原来的0.5°×0.5°提高到0.25°×0.25°经纬度网格,模式的物理过程使用了包括简单冰相过程的混合相云显式降水方案。同化模式的分辨率和物理过程与预报模式保持一致,使整个系统较为协调、合理。同化方案中使用的初估场,模式中使用的侧边界条件均由新一代中期预报模式T213的预报场替代了T106的预报场,改善了侧边界条件的质量。

    除进行了上述改进外,为提高程序在高性能计算机上的运行效率,对源程序进行了优化和并行化工作。目前运行的系统程序采用了Open MP和MPI混合编程技术,大大提高了程序的运行效率,减少了程序运行时所用的内存空间。

    模式中使用的其它物理过程与原业务预报模式相同,只是对显式降水方案进行了改进,这里仅对改进后的方案作一简要介绍。

    新方案采用了中国气象科学研究院刘奇俊[3]、胡志晋[4]等人研制的简化混合相云方案。该方案中,在暖区 (0℃以上) 模式大气中的水分包括水汽qv、云水qc和雨水qr; 而在冷区 (0℃以下) 云水以过冷水的形式存在,雨水则变为冰雪晶。方案中主要包括以下微物理过程:水汽凝结和云水的蒸发、云水向雨水 (或冰雪) 的自动转换、雨水 (或冰雪) 与云水的碰并、冰晶的核化、冰晶的繁生、云水雨水的冻结、雨滴或冰雪晶的凝华 (升华) 和蒸发。

    考虑了上述微物理过程后,热力学方程变为如下形式:

    在暖区:

    在冷区:

    水汽、云水和雨水的方程变为:

    上述方程中的普通变量与原模式中的说明相同,与显式降水方案中微物理过程有关的部分说明如下:Pcon,大尺度水汽凝结项,其中包括水汽的凝结和云水的蒸发; Svp雨水蒸发项,在暖区 (0℃以上) 包括雨水的蒸发和过饱和水汽的凝结,在冷区 (0℃以下) 包括过冷水的凝结,冰雪的升华和凝华; Pvp冰晶的核化; Pcp冰晶的繁生; Ccp雨滴 (或冰雪) 在下降过程中与云水及过冷水的碰并; Acp云水向雨水的自动转换项; Fre温度低于0℃时云水的冻结项; MprFp分别为雨水的融化和冻结; vf为雨水 (或冰雪) 的总体下落速度。

    在上述方案的基础上,我们建立了实时资料预报对比试验系统,并对2001年10月以来的降水预报结果进行了降水统计检验。图 1中给出了2002年夏季 (6到8月) 全国范围各业务预报模式24h和48h预报的Ts评分和预报偏差 (B) 的平均值 (由于降水观测资料的原因,业务检验中,中期预报模式的预报时效延后12 h)。图 1(a)、(b)分别给出了全国范围降水预报检验结果对比情况,从图 1 (a)中可以看出,不管是24h预报还是48 h预报,改进方案 (HLAFS 025) 的降水预报都优于业务系统的预报 (HLAFS),改进效果较为明显。至于不同预报模式间预报的比较,改进方案 (HLAFS025) 的预报也优于T106的降水预报; 而与T213模式的预报比较,就Ts评分而言,在各个级别的预报中改进方案预报的Ts评分值都稍低于T213的预报,但从预报偏差值 (图 1(b)) 可以看出T213的预报在48h后出现较多的空报 (B值大于1)。总体而言,改进方案的降水预报优于T106和原有限区域业务预报模式,略逊于T213预报模式,但就不同季节、不同年份、不同天气形势下的预报则与T213模式的预报具有较好的互补性。图 1(c)图 1(d)分别给出了与图 1(a)图 1(b)同时刻的我国东北地区各业务预报模式24h和48h预报的Ts评分和预报偏差 (B) 的平均值,从图中可以看出,在这一地区,大多数情况下改进方案的预报都略优于T213模式的预报,且预报偏差也更接近于1。类似的情况也出现在西北地区东部、长江中下游地区等。

    图  1  (a)、(b) 分别为2002年夏季全国范围24h和48h预报Ts评分结果和预报偏差评分结果; (c)、(d) 分别为2002年夏季东北地区24h和48h预报Ts评分结果和预报偏差评分结果

    图 2给出了2001年11月初的一次强降水个例降水预报对比结果。从图 2(a)中可以看出,降水区域位于长江中下游及以南地区,其中主要的强降水区 (25 mm以上) 位于长江以南,中心降雨强度超过了50 mm。对比图 2(b)图 2(d)可以看出,尽管两方案做出的24h降水落区预报基本相当,中心降水强度的预报试验方案明显优于业务预报模式的预报结果,业务预报对于强降水中心降雨强度的预报明显偏弱,试验方案的预报则与实况较为接近。尽管48h预报的效果不如24h预报,但对降水强度的趋势仍是试验方案预报优于业务预报。

    图  2  降水预报对比 (a)2001年11月2日08:00到3日08:00降水观测实况,(b)(c) 分别为对应时刻业务预报模式的24h和48h降水预报结果,(d)(e) 分别为对应时刻试验预报方案的24h和48h降水预报结果

    通过检验可以得出如下初步结论:

    (1) 就总体预报效果而言,改进后的HLAFS系统的降水预报效果明显优于现行业务预报系统; 也明显优于T106中期预报的同类预报产品; 且24h预报改进效果优于48 h预报。

    (2) 与新的中期预报模式T213相比,总体上讲降水预报的Ts评分稍逊于T213中期预报模式,但在不同地区、不同季节与T213的预报有较好的互补性。

    (3) 从偏差评分的情况可以看出,就24h预报而言,T106、T213和HLAFS 025系统降水预报的面积明显大于降水观测实况,尤其是10 mm以上量级的预报更为明显,偏差值B明显大于1。对于48h预报,T213的预报偏差值偏大,中雨以上更为明显,而HLAFS 025则在大雨以上明显偏小。

    (4) 虽然与业务预报系统相比,改进后的系统降水预报效果有明显提高,但改进后模式的降水预报仍存在一些问题,如48h降水落区有时较实况移动快,使得降水落区预报偏前; 尺度较小的降水系统和突发性的降水预报效果较差; 从24h到48h降水量预报减弱较快的现象仍未有实质的改变等,这将是今后预报模式改进应关注的重点。

  • 图  1  (a)、(b) 分别为2002年夏季全国范围24h和48h预报Ts评分结果和预报偏差评分结果; (c)、(d) 分别为2002年夏季东北地区24h和48h预报Ts评分结果和预报偏差评分结果

    图  2  降水预报对比 (a)2001年11月2日08:00到3日08:00降水观测实况,(b)(c) 分别为对应时刻业务预报模式的24h和48h降水预报结果,(d)(e) 分别为对应时刻试验预报方案的24h和48h降水预报结果

  • [1] 闫之辉, 赵俊英, 朱琪, 等.高分辨率有限区域业务数值预报模式及其降水预报试验.应用气象学报, 1997, 8(4):393-401. 
    [2] 闫之辉, 郭肖容, 赵俊英.一个载水预报模式的业务预报应用试验.应用气象学报, 1999, 10(4):453~461. 
    [3] 刘奇俊, 胡志晋, 周秀骥.HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云物理过程的模拟, (1) 云降水显式方案.应用气象学报, 2003, 14(增刊):60~67. 
    [4] 胡志晋, 楼小凤, 包绍武, 等.一个简化的混合相云降水显式方案.应用气象学报, 1998, 9(3):257~264. 
    [5] 朱政慧, 闫之辉, Zaphiris Christidis.并行高分辨率有限区域预报系统 (HLAFS) 在IBM SP并行机上的建立.应用气象学报, 2003, 14(1):119~121. 
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出版历程
  • 收稿日期:  2003-06-26
  • 修回日期:  2003-12-23
  • 刊出日期:  2004-12-31

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