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行业专项成果综述-基于GRAPES_TYM高分辨率模式台风初始化技术研发及应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/12/31 10:48:33   标签:   浏览次数:1229

项目编号GYHY201406006

研究周期2014年1月-2016年12月

国拨经费275万元

项目负责人】麻素红

项目骨干成员瞿安祥 张进 刘鑫 吴俞 钱奇峰 王玉清 刘钊 陶丽 李勋 陈德 方田文 孙明华 吕新艳 谭晓伟 李云艳 李瑞芬 衡骏遥 李玉 徐占

项目承担单位国家气象中心

项目协作单位】江南无锡计算技术研究所 南京信息工程大学 海南省气象局

主要研究成果

项目围绕建设内务内容和考核指标,取得了如下主要研究成果:

1)开发了三维alpha控制变量的混合En3DVar同化系统。基于集合预报提供的样本获取了具有“流依赖”特征的背景误差协方差,通过引入alpha控制变量实现具有“流依赖”特征的变分同化系统。单点气压观测数据同化试验表明, 相比于传统的3DVar方案,混合 En3DVar方案形成的分析增量在结构上更加匹配台风的动力学属性特征:气压场强度加深的情况下,风场增量的非对称结构明显,而且气旋性环流显著增强,同时气压要素的同化会导致湿度场分析增量的出现(传统3DVar系统认为这两者是不相关的)。通过实际同化吸收常规观测资料分析发现,新设计的混合 En3DVar系统会有效提取台风气压等内部零散观测资料点信息,并且这部分增量信息会匹配实时台风尺度特征有效的向四周传播出去,从而影响到分析场台风涡旋结构、强度的变化。这使得充分利用目前有限观测资料信息同化分析改进台风涡旋初始质量成为可能。同时,基于GRAPES_TYM区域台风模式系统的个例预报试验表明,与传统3DVar同化方案相比,混合En3DVar变分同化方案对改善台风路径和强度数值预报效果明显。

2)开发了涡旋动力初始化方案和模式热启动技术:基于GRAPES_TYM开发了大尺度谱Nudging与涡旋Nudging技术,通过初始时刻分析场内台风涡旋的重定位和强度调整,合理引入观测信息;大尺度谱Nudging与涡旋Nudging下的初始时刻前6小时向初始时刻的模式后报,融合大尺度与涡旋尺度的分析和观测的信息,在模式积分的过程中调整涡旋三维结构,使其在向观测逼近的同时,又产生于模式相适应且动力协调的初始涡旋结构,同时,初始场中包含了垂直环流与云微物理等信息,有效地实现了模式的暖启动。

3)建立了高分辨率(3km) 近海台风预报系统;开发了基于初始场平均的一维参考大气廓线、改进了边界层、对流参数化等模式物理过程,提高模式对台风的预报性能。基于上述技术成果,建立高分辨率(3km) 近海台风预报系统,其台风路径及强度预报能力较业务系统有明显提高,2016年预报结果显示, 24h路径预报、中心气压、最大风速预报误差分别减小17.6%33.8%9.1%48h路径预报、中心气压、最大风速预报误差分别减小31.1%19.3%4.7%

4)研究并实现了适应GRAPES_TYM程序结构的双向嵌套技术;设计了高效的插值方法和并行涡旋中心定位算法,并在国产超级计算机“神威?太湖之光”上进行了移植和众核优化;使用了数组重排、数据分块以及LDM缓存等方法在申威26010芯片上实现了异构众核并行。在GRAPES_TYM中建立了高分辨率移动嵌套网格模块,完成了嵌套网格通信库的开发,使GRAPES_TYM模式初步具备了嵌套网格功能,并有效对局部区域进行高分辨率精细化预测。以上成果可以改善模式初始场对台风涡旋结构的描述,提升高分辨率台风模式的计算效率,进一步提高和改善GRAPES_TYM模式对于暴雨、台风、短时临近强天气的模拟效果。子课题发表论文“基于神威太湖之光的GRPAES_TYM移动嵌套网格功能研究实现”,获得2017年全国高性能计算学术年会优秀论文提名奖。

5)开发了海南岛台风降水释用技术:基于GRAPES_TYM模式在海南岛台风降水预报,释用方法主要思路是:首先在评估GRAPES_TYM模式台风路径和降水预报偏差的基础上,需要先对台风路径预报进行订正,再订正台风降水预报,其中台风降水订正的方法是利用历年影响或登陆海南岛的台风实况日降水量进行平均,建立1°网格的具有历史相似性的日平均降水图,在此基础上充分考虑海南岛的地形作用,对降水量级进一步订正。用该方法订正GRAPES_TYM模式对2012-2015年影响海南岛的台风降水预报中,暴雨的TS评分技巧较订正前提高了17.8%,改善效果明显。GRAPES_TYM产品释用技术。

(6)开发了热带气旋风场动力释永技术:热带气旋造成的大风是主要的气象致灾因子之一,数值预报是热带气旋风场预报的重要客观参考产品,但当数值预报的热带气旋路径与强度较实况出现较大误差时,风场也将出现较大误差,预报员可以对数值预报的路径和强度及时做出主观修正,但业务中针对风场数值预报产品缺乏合理有效的修正手段,使得风场数值预报产品可用性显著降低。“热带气旋风场动力释用技术”成果解决了这一业务预报急需,填补了热带气旋风场数值预报产品客观、定量释用技术的空白。通过将预报员做出的路径与强度的主观预报,与数值模式给出的热带气旋风场预报相结合,利用路径与强度的主观预报信息,对模式预报的热带气旋风场进行订正,得到订正后的风场,来辅助预报员做出更加精细化的热带气旋近地面风场预报。

本项目将上述技术成果进一步开发应用到国家气象中心实际业务中,将国家气象中心预报员关于热带气旋路径与强度的主观预报与数值模式预报(GRAPES_TYM预报系统和台风与海洋气象预报中心的短临预报系统)产品相结合,基于“热带气旋风场动力释用技术”,建立了“台风精细化大风客观预报系统”,应用于国家气象中心的业务会商、国家防总会商等,并为相关决策服务提供支撑。 

成果应用情况

1)高分辨率(3km) 近海台风实时预报系统:项目研发的高分辨率近海台风数值预报系统于2016年开展了实时预报试验,其台风路径及强度预报能力较业务系统有明显提高。2016年预报结果显示, 24h路径预报、中心气压、最大风速预报误差分别减小17.6%33.8%9.1%48h路径预报、中心气压、最大风速预报误差分别减小31.1%19.3%4.7%

此系统在2016年台风季节为业务预报提供了丰富的参考产品,在业务预报中发挥了重要的参考作用(如附件的应用证明)。

2)一维参考大气廓线的业务应用:项目研发的一维参考大气廓线成功应用于数值预报中心的GRAPES_3km高分辨预报系统、GRAPES_MESO区域预报系统、GRAPES_TYM区域台风预报系统、GRAPES_REPS区域集合预报系统等业务模式系统。模式计算精度与模式整体预报性能得到显著提高。

3)热带气旋风场动力释用技术:成果将“热带气旋风场动力释用技术”与GRAPES_TYM系统风场预报产品相结合,在台风与海洋气象预报中心建立了台风逐小时精细化大风预报系统,提供与预报员主观路径、强度预报相匹配的精细化大风预报产品,并继续分别在台海中心和中国科学院大气物理研究所开展主、客观检验,期间针对新系统产品特点,补充建立了新的客观评分方法—台风大风风级TS评分,进一步完善了预报检验手段,主、客观检验结果显示,该技术系统对GRAPES_TYM热带气旋风场数值预报产品订正效果显著,明显修正了模式预报的大风分布,有效提高了模式大风预报评分。相关产品用于国家气象中心业务应用,提供会商(全国会商和国家防总会商等),并为海洋气象精细化预报和台风大风破坏力评估业务等提供产品支撑。目前,该科技成果已在深圳市气象台进行了转化应用。

  (4GRAPES_TYM模式的海南岛台风降水预报释用方法:20166月起,基于GRAPES_TYM模式台风降水预报释用方法在海南省气象台开展业务应用,特别是结合海南岛地形的台风降水释用方法较大程度订正了GRAPES_TYM模式的台风降水预报,暴雨技巧明显提升,在多次台风过程中为海南省气象台的智能网格降水精细化预报提供非常重要的参考。


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