新一代数值预报系统(GRAPES)研究及其初步应用试验
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(GRAPES,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-半拉格朗日方法和全可压非静力平衡动力模式: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GRAPES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.
作者单位：
中国气象科学研究院数值预报研究中心,北京,100081
母体文献：
数值天气预报新理论新方法及应用学术研讨会论文摘要汇编
会议名称：
全国数值天气预报新理论新方法及应用学术研讨会&&
会议时间：
会议地点：
主办单位：
中国气象学会
基金项目：
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制作：王毅 沈晓琳&&
一、实况检验和重点天气评估结论
1.1模式与实况对比检验
对于19日华南沿海和江南东南部的暖区对流性暴雨预报，大尺度模式预报能力有限，范围和强度偏弱，漏报率较高，中尺度模式对于降水强度虽有一定的预报能力，但仍出现了漏报。而预报员综合前期模式误差检验结果，较好的把握了暴雨的落区。而对于西南地区南部的强降水，大尺度模式落区预报较好，量级偏弱，中尺度模式基本没反应，预报员雨带把握较好，但强降雨中心落区有所偏差。
1.2重要天气过程分析评估及模式使用建议
21-22日，华北大部有较强降水发展，对于22日华北降水，EC模式随预报时效临近向偏北偏强方向调整，GRAPES模式预报强度偏弱，需要临近关注；对于华北低涡的预报，EC模式预报相对比较稳定，对副高的预报，EC模式随预报时效临近向西调整。
二、检验产品
2.1 模式降水与实况天气学检验
三、模式预报评估产品
3.1 环流形势稳定性和主要影响系统不确定性分析
3.2降水不确定性分析中国气象局关于印发数值天气预报发展规划(年)的通知
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中国气象局关于印发数值天气预报发展规划(年)的通知
【发布部门】 【发文字号】 气发[号
【发布日期】 【实施日期】
【时效性】 【效力级别】
【法规类别】 ，
【全文】【】 &&&&
中国气象局关于印发数值天气预报发展规划（年）的通知
（气发〔号）
各省、自治区、直辖市气象局，各直属单位，各内设机构：
　　现将《数值天气预报（GRAPES）发展规划（年）》印发给你们，请认真组织实施。中国气象局日印发的《中国气象局数值天气预报业务发展计划（年）》（气发〔号）同时废止。
二○一○年十二月二十一日
数值天气预报（GRAPES）发展规划（年）
(中国气象局　二一年十二月)
　　一、现状与问题分析
　　（一）现状与发展趋势分析
　　1.国内现状
　　2.国际现状
　　3.发展趋势
　　（二）存在的主要问题
　　1.GRAPES系统核心技术有待改进
　　2.业务应用软硬件支撑能力有待提高
　　二、指导思想与发展目标
　　（一）指导思想
　　（二）发展目标
　　1.总体目标
　　2.具体目标
　　三、主要任务
　　（一）数值预报业务系统
　　1.全球模式
　　2.区域模式
　　3.资料同化与应用
　　4.集合预报
　　5.台风模式
　　6.并行计算技术
　　（二）业务应用系统
　　1.模式检验
　　2.产品开发
　　（三）系统运行与支撑系统
　　1.系统运行监视与诊断系统
　　2.支撑软件系统
　　（四） 数值预报前瞻性研究
　　1.数值预报理论和方法研究
　　2.THORPEX与我国数值预报技术发展
　　3.观测试验与数值预报技术改进
　　四、保障措施
　　（一） 加强组织领导，明确任务分工
　　（二） 加强队伍建设，完善用人机制
　　（三）建立稳定的投入机制，确保计划的有效实施
　　（四）以开放实验室为平台，加强国内外合作与交流
　　（五）建立高性能计算机和资料获取保障机制
　　数值预报技术是决定预报预测业务能力的根本因素，也是一个国家气象现代化的重要标志。为加快推进数值预报业务的发展，提高GRAPES模式的业务预报水平，根据《》（国发〔2006〕3号）、《中国气象局关于发展现代气象业务的意见》（气发〔号）和《现代天气业务发展指导意见》（气发〔2010〕1号），编制本规划。一、现状与问题分析
现状与发展趋势分析
　　1.国内现状
　　我国数值天气预报业务经过多年发展，逐步从引进吸收与自主研发并重转入了自主研发、持续发展的新格局。在国家级初步构建了包括全球和区域模式预报系统、集合预报系统及专业数值预报系统在内的较为完整的数值预报体系。TL639L60可用预报时效达到6.5天以上，预报产品在业务中得到广泛的应用；GRAPES中尺度数值预报系统2004年实现业务化；GRAPES全球中期数值天气预报系统2009年3月实现准业务运行；全球台风路径预报能力逐步提高，台风路径距离误差24小时预报在125公里以内，48小时预报在220公里以内，72小时预报在330公里以内。
　　除了西藏自治区气象局以外，其余30个省（区、市）都建立了不同程度满足业务与科研需要的区域中尺度数值预报系统，其中WRF、MM5、GRAPES等中尺度模式得到了较为广泛的应用。
　　2.国际现状
　　目前，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）、英国气象局、法国气象局、加拿大气象局、日本气象厅、澳大利亚气象局等发达国家都已经建立了气象资料四维变分同化系统。在未来3年的时间里，世界数值预报先进国家的全球模式分辨率都将提高到10-25km，达到了全球中尺度模式的水平，尤其是ECMWF的确定性预报业务模式已于2009年底升级为TL1279 L91，水平分辨率约16km，垂直分层达91层， 全球中期集合预报业务模式也相应升级为TL639 L91，水平分辨率约达30km。另外，为期10年的国际“观测系统研究与可预报性试验”计划（THORPEX）正在世界气象组织框架内组织实施，将有力地推进观测-预报交互系统技术、资料同化技术、多模式多中心超级集合预报技术的发展，加速提高1-14天数值预报准确率。
　　3.发展趋势
　　概括来说，未来3-5年业务数值预报的发展趋势可归纳为：
　　（1）高分辨率模式快速发展。全球模式的分辨率将达10公里，垂直方向扩展到0.01百帕，全球模式将进入高分辨率中尺度数值预报模式时代；有限区域数值预报模式的分辨率将达1公里左右。
　　（2）物理过程参数化方案更加精细化。近年来数值天气预报模式、气候模式的物理过程越来越复杂，各圈层及其相互作用更加全面，模式中使用的各种物理过程及其相互作用越来越细，越来越强调深入结合观测资料研究评估模式的动力物理过程，尤其是云微物理过程。
　　（3）变分与集合卡尔曼滤波混合或者集合-变分的新同化技术得以发展，遥感资料得到更广泛的使用，特别是有云区卫星遥感资料在数值预报中的有效应用。以四维变分同化为基础的集合-变分同化或混合资料同化技术将成为未来资料同化技术的主流发展方向。
　　（4）集合预报技术得到深入发展，业务上得到广泛应用。奇异向量初值扰动方法进一步发展，尤其是包括水汽的能量模的计算在低纬热带区域的改进和业务应用；物理过程扰动技术在区域模式集合预报中的应用，以及多模式多中心超级集合预报技术的应用发展。
存在的主要问题
　　1.GRAPES系统核心技术有待改进
　　经过10年的发
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本篇引用的法规中央和地方法规规章(1篇)　GRAPES中国气象局新一代数值预报系统创新研究；计划及阶段成果；中国气象科学研究院数值预报研究中心；（日）；一、计划简介；2000年10月，中国气象局党组做出一项战略性决；究院、国家气象中心、国家卫星中心，联合组建数值预；2000年9月，国家科技部批准“十五”国家重点科；值预报系统技术创新研究”立项（以下简称GRAPE；GRAPES项目研究
GRAPES中国气象局新一代数值预报系统创新研究
计划及阶段成果
中国气象科学研究院数值预报研究中心
一、计划简介
2000年10月，中国气象局党组做出一项战略性决策，依托中国气象科学研
究院、国家气象中心、国家卫星中心，联合组建数值预报研究创新基地，即数值预报研究中心，集中人力、物力自主创新研制中国气象局新一代数值预报系统：GRAPES系统(英文缩略词为：Global/Regional Assimilation and PrEdiction System，全球/区域同化预报系统)。
2000年9月，国家科技部批准“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”立项（以下简称GRAPES项目），GRAPES的研究开发工作正式启动。
GRAPES项目研究的主要目的是在可预见的21世纪初叶高性能巨型计算机
能力和可获取的高时空分辨率气象观测资料条件下，充分吸收国内外的研究新成果，自主开发建立起中国新一代气象数值预报体系。总体目标是以四维变分同化技术、建立在新的通用动力框架基础上的、模块化的不同尺度气象数值预报模式及数值预报支持系统为研究重点，自主开发建立一套具有持续自主创新能力的气象数值预报新体系，包括资料四维变分同化系统、有限区域中尺度数值预报系统、全球中期天气数值预报系统以及环境支持系统，其技术性能达到国际同期先进水平。最终通过对气象数值预报技术的创新研究、系统的更新换代，实现数值预报技术的跨越发展，并建立起持续发展创新的基础平台，使21世纪的中国气象数值预报达到发达国家的同期先进水平，满足国民经济和社会发展对气象预报服务不断增长的要求。该模式系统将融合国内外最近几年在大气科学、探测技术、计算机等方面的最新成果，并将作为新的气候模式系统的大气环流模式原型，将成为我国新一代全球中期天气预报和区域中尺度天气预报业务系统的基础与核心，最终为气象科研人员提供一个业务与科研共享、大气科学及相关应用基础科学数值模拟研究的共用平台，这对于加强研究机构与业务单位之间的合作，加快研究成果向业务转化的步伐具有重要的意义。
项目包括四部分：
（4） 观测资料的四维变分同化系统； 模块化通用数值预报动力模式； 区域中尺度与全球中期数值天气预报系统； 数值预报支持系统。
整个计划分两个阶段（表1为GRAPES项目计划进度安排）：
（1）：完成以卫星观测资料为主的中尺度和全球变分同化系统的
研究开发，以及建立在多尺度通用动力框架基础上的新一代中尺度和全球中期预
报模式的开发；建立区域中尺度与全球中期数值天气预报试验系统。
（2）：对前三年发展的新一代数值预报试验系统进行优化完善，
形成新的数值预报应用系统，最终实现建立我国具有完全自主知识产权的、达到
21世纪初叶国际先进水平的数值预报系统。
同时研究建立分辨率高于1KM的精细预报系统有望为北京2008年的奥运会
提供精细的气象预报。
表1、GRAPES项目计划进度安排
二、GRAPES系统的研究进展
该项目自2001年启动以来，经过广大科研人员的艰苦努力，在以下5个方面取得重大进展：
1、资料同化：
变分同化是近十几年发展起来的新同化技术，该技术使大量的非常规观测资料如卫星、雷达、风廓线仪、GPS等在数值预报系统中得到成功应用，大大地改进了分析、预报的质量，目前3D-VAR、4D-VAR已成为当前同化方法发展的主流。如ECMWF, 法国气象局、英国气象局、日本气象厅、NCEP的等业务系统，NCAR和一些大学及研究机构等。
目前我国的数值预报业务系统仍采用最优插值分析方案。与国外相比，通过GTS
星资料仅有十分之一得到利用，造成大量卫星观测资料被闲置；另一方面，在常规观测资料奇缺的地区如海洋、青藏高原等灾害性天气频发或源头地区，分析质量极低，数值预报质量长期得不到改善。而变分同化则是解决这一问题的有效手段，国际上九十年代开始同化系统的升级的目的就是实现卫星辐射数据的直接同化，并对预报质量的提高产生了决定性的影响。另外，中国气象局计划在3~5年内在全国布设126部多普勒雷达（如图1），这也迫切需要开发具有同化雷达资料能力的中尺度变分同化系统。
图1、2005年底中国多普勒雷达网
（1） GRAPES同化系统的科学设计方案
根据Lorenz（1986），气象资料三维变分同化（3D-Var）归结为如下目标函数的极小化问题：
1(xb?x)TB?1(xb?x)
1JO?(H(x)?yo)O?1(H(x)?yO) 2JB?
其中，x是分析变量；xb为背景场；O是观测误差协方差，yo是观测值；y是由分析变量导出的观测值；B是背景误差协方差；H为观测算子。
因此需要找出目标函数J的极小化。如绝大多数的3-DVAR方案一样，上述的目标函数应该写为增量?x的形式。为了减少极小化过程中价函数的计算开销，引入了不同于模式预报变量的一组分析变量：
w?(?,xu,?u)
其中ψ，χ分别为流函数和速度势；?为位势。χg，?g为速度势和位势高度场与流函数平衡的部分，带下标u的变量表示变量的非平衡部分。
GRAPES 3-DVAR方案的主要特点包括：
? 增量分析?x
? 分析空间：对有限区模式采用格点空间，水平为Arakawa A网格，垂直为标准等压面； ? 可同化的资料包括来自GTS的常规资料，如TEMP, SYNOP, SHIP, AIREP, SATOB, SATEM；
? 模式变量为?(orT)T,U,V,q(orRH)；分析变量包括?,?,?u，RH；控制变量w易于求解B。
? 对质量场和风场，采用简单的地转平衡或线性平衡方程；
? 采用归滤波代替背景误差相关，垂直模的EOF函数替代垂直相关来求解B；
? 引入预处理（precondition）变换?x?Uw?Bw加速最优化迭代的收敛速度；
? 有限内存的LBFGS变尺度算法作为最优化算法；
? 观测算子：包括常规观测和卫星反演产品及卫星辐射资料；
? 除观测算子做空间插值外，无其它的物理转换。
（2） 理想场试验
为了检验3D-VAR设计方案及程序，利用单个观测并假定背景场均匀分布分别进行了一维（图2）、二维（图3）递归滤波试验。图4给出了给定一个单点位势高度φ的GRAPES 3D-VAR的相关系数个例。
2.004.006.003pass10pass
0.005.20.00图2、一维高斯分布递归滤波试验
图3、2D单点位势高度试验结果
（a）位势高度
（c）v分量
图4、相关系数
GRAPES 3D-VAR个例试验
理想场试验验证GRAPES 3D-VAR方案及程序正确无误后，用常规资料进行了一系列的个例试验。图5给出了分别采用GRAPES 3D-VAR（红线）和不采用GRAPES 3D-VAR（蓝线）的分析方案提供的初始场在2003年8月份模式预报的降水TS检验结果。可以看出，在长江流域和华南，3D-VAR的评分都比OI好。
(a) 长江流域
图5 2003年8月份OI与GRAPES 3D-VAR降水TS检验
为了同化卫星辐射观测资料，从ECMWF引进了一个快速辐射传输模式RTTOV-6，该软件包包括速辐射传输模式、其正切线性模式和伴随模式。目前，GRAPES 3D-VAR可以同化多中观测资料，包括常规资料、NOAA16和NOAA17的ATOVS资料、云-水轨迹、雷达导风和多普勒回波等。这也是国内自主开发的第一个三维变分同化系统。
日~6日，Rammasun热带气旋在西北太平洋生成，将ATOVS资料同化的分析场作为WRF模式的初值进行了模拟。结果显示（图6），TOVS资料明显改善了热带气旋的初始条件，如热核、气旋和反气旋的切线风环流，更好地捕捉住了水汽的垂直结构。这大大改进了台风路径的预报，如模式积分45小时后，Rammasun的位置在朝鲜半岛的东部，与实况非常接近（图8）；而无ATOVS的预报的位置则位于朝鲜半岛的西部。
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