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行业专项成果综述-面向业务化应用的全球四维变分同化系统研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/11/30 17:11:37   标签:   浏览次数:1638

项目编号GYHY201506003

研究周期2015年1月-2017年12月

国拨经费310万元

项目负责人】张林

项目骨干成员】龚建东,刘艳,刘永柱,陆慧娟

项目承担单位】国家气象中心

项目协作单位】中国人民解放军装备学院

主要研究成果

本项目的主要研究内容是在原有GRAPES全球四维变分(4D-Var)同化系统的基础上,研究GRAPES全球切线性模式和伴随模式的高效算法,优化GRAPES全球4D-Var同化系统的并行方案,进行多种卫星观测的全球4D-Var同化,建立全球4D-Var同化业务系统。具体的研究成果分述如下:

一、全球切线性模式和伴随模式的研发和计算优化

基于最新版的GRAPES全球非静力预报模式重新了研发全球切线性模式和伴随模式的动力框架部分,通过对核心模块计算流程的细致分析,设计并实现了高效的非线性基态处理方案,大幅度减少了基态的重复计算,同时移植GRAPES全球预报模式在计算优化方面的成果,包括极区并行通讯方案,更科学的上游点插值方案,内存优化方案等,显著减少了全球伴随模式的计算时间。

研发了较完备的线性化物理过程,包括垂直扩散,次网格尺度地形参数化,积云对流参数化和大尺度凝结,通过个例试验和批量试验评估了线性化物理过程对全球切线性模式和全球4D-Var同化的贡献,确认线性化垂直扩散和次网格尺度地形参数化可以投入业务使用。

优化大数组的使用,包括用于存储模式轨迹的数组和存储观测的数组,解决了0.25°全球4D-Var同化系统在IBM FLEX高性能计算机上运行困难的问题。

二、全球四维变分同化框架的改进

研发了考虑多次外循环更新的增量分析方案,通过优化内外循环分辨率的比例和观测使用策略,已经实现两次外循环更新对全球4D-Var分析有中性偏正的贡献。研发了三维插值方案和质量守恒高阶无振荡的水平插值方案,改进内外循环之间的插值计算。利用外循环高分辨率全物理过程的非线性模式预报给内循环提供的模式状态轨迹,减小了内外循环的差异,使得内循环极小化收敛的结果更为合理。在多次外循环更新框架下,实现了L-BFGS算法的暖启动。

研发了新的Lanczos-CG极小化算法,能够显著减小极小化迭代次数从而节省了全球4D-Var分析的计算时间,同时,研发了Lanczos-CG的预调节算法,能够进一步提高收敛速度。

研发了数字滤波弱约束,能够有效地抑制分析场中的重力波噪音。

实现了垂直水平不可分离的背景场误差协方差设计,随高度变化的水平相关尺度可以明显提高全球4D-Var的分析质量。

进一步完善平衡约束,在原有旋转风和质量场平衡的基础上增加了旋转风和散度风、散度风和质量场间平衡约束。新的方案呈中性偏正效果,东亚和热带中上层的分析和预报有所改进。

利用集合样本统计垂直相关,对全球4D-Var分析有正的贡献。

三、观测使用

实现了30分钟的观测时间剖分,提高了观测的使用量,尤其是地面报、飞机报、云导风、船舶报等时间分辨率较高的观测。

实现了GTS常规观测和NOAA15 AMSUANOAA18 AMSUANOAA19 AMSUAMETOP-A AMSUA\ METOP-B AMSUANPP ATMSEOS AIRSGNSSRO掩星、洋面散射计等多种卫星观测资料的全球4D-Var同化,进行了批量试验评估,能够显著改进全球4D-Var分析的质量。

项目利用上述研发成果,基于GRAPES全球4D-Var同化系统和GRAPES全球预报模式,建立了全球4D-Var分析预报循环试验,设计了业务化运行方案,进行了两组6个月(20166-201611月和201612-20175月)的回算试验,确认本项目研发的GRAPES全球4D-Var同化系统运行稳定,分析和预报水平超过同期GRAPES全球3D-Var同化业务系统,达到业务化准入要求。

成果应用情况

本项目研发的GRAPES全球4D-Var同化系统于2018628日通过了业务化评审,201871日正式开始在国家气象中心业务化运行(专家组验收意见和中国气象局预报司关于GRAPES全球四维变分同化系统投入业务运行的通知见成果应用证明)。这一工作标志着我国自主研发的全球资料同化系统迈上了更高层次的平台,为卫星资料的广泛应用,模式预报性能提升,丰富预报产品创造了更好的条件。

    中国气象局数值预报中心从无到有,凭借中国气象局和研发团队自己的力量,克服重重困难,掌握了全球4D-Var同化的关键技术,不但填补了我国在全球同化领域的空白,摆脱了受制于人的困境,而且培养了一支理论知识扎实和实践经验丰富的研发团队,为今后的可持续发展奠定了坚实的基础。

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