[發明專利]全球中期數值預報GRAPES_GFS方法有效

申請號：	201910357780.8	申請日：	2019-04-30
公開（公告）號：	CN110703357B	公開（公告）日：	2021-04-20
發明（設計）人：	沈學順;薛紀善;陳德輝;韓威;胡江林;劉永柱;孫健;張林;金之雁;蘇勇;王金成;龔建東;張華;張紅亮;劉奇俊;陳起英;田偉紅;胡江凱;周斌;趙濱;王建捷	申請（專利權）人：	國家氣象中心（中央氣象臺）
主分類號：	G01W1/10	分類號：	G01W1/10;G06F17/11;G06F30/20;G06Q50/26
代理公司：	北京中海智圣知識產權代理有限公司 11282	代理人：	楊樹芬
地址：	100081 北***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	全球中期數值預報 grapes_gfs 方法
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【權利要求書】：

1.全球中期數值預報GRAPES_GFS方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、建立GRAPES_GFS全球中期數值預報系統，包括資料同化、動力框架、物理過程、并行計算、資料預處理和運行腳本模塊；

步驟2、在動力框架方面采用非插值位溫拉格朗日平流計算、極區濾波方案的優化、引入地形濾波考慮有效地形、高精度守恒的標量平流方案研發、質量守恒訂正、地形濾波、w-damping和平流層瑞利摩擦效應的引入，以提高模式動力框架的穩定性、質量守恒性和計算精度；采用獨立發展的保形正定守恒的半拉格朗日標量平流方案及極區處理技術以提高模式濕物理量場的計算精度；

步驟3、根據半拉格朗日模式和歐拉通量形式方程組做到守恒從而推出一個基于分段有理函數的標量平流方案PRM；

步驟4、在物理過程方面經兩次升級和一次深入優化并形成物理過程包；

步驟5、以雙參數云微物理過程為基礎增加大尺度宏觀云、深對流和淺對流的卷出反饋以及顯式云量預報以形成完備的全球模式云計算方案；

步驟6、GRAPES_GFS全球同化預報系統云方案的水凝物含水量、粒子數濃度和云量的預報方程如下：

以上方程(1)、(2)、(3)中q_x代表水汽以及云水、雨水、云冰、雪、霰五種水凝物的含水量，N_x代表除水汽和云水外其他四種粒子數濃度，a代表云量；目前大尺度云凝結過程、深對流卷出和淺對流卷出的影響只考慮云水q_c和云冰q_i的情況，忽略對雪q_s、雨滴q_r和霰q_g以及各種粒子數濃度的影響；

步驟7、GRAPES_GFS模式空間3D-Var分析系統采用增量分析方案：

其中δx＝x_a-x_b，x_a和x_b是由模式變量構成的列向量，分別代表分析場和背景場；B是背景場的誤差協方差矩陣；H是觀測算子，將模式變量轉換成觀測相當量；R是觀測的誤差協方差矩陣,d是觀測增量；模式空間的3D-Var的坐標和變量定義均與GRAPES_GFS預報模式完全匹配，分析變量與模式的狀態變量相同；采用變量變換的方法將分析變量轉化為變量間不相關的控制變量以降低背景誤差協方差的維數；

步驟8、采用衛星輻射率資料定標的信息做為先驗約束推出衛星輻射率資料有約束的偏差訂正方法；

步驟9、設計并行IO的讀寫方式以解決現有串行IO并行規模越大總體速度越慢的問題，并能夠大幅度提高模式數據輸入輸出的效率。

2.根據權利要求1所述的全球中期數值預報GRAPES_GFS方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟：

步驟3.1、按照通量形式求解水汽方程對網格界面的通量更新采用半拉格朗日算法；

步驟3.2、針對通量形式預報方程組在極區計算從而推出極區PRM與準單調正定拉格朗日平流方案QMSL的混合方案以保證極區濕物理量計算的精度和合理性。

3.根據權利要求1所述的全球中期數值預報GRAPES_GFS方法，其特征在于，所述步驟4包括以下步驟：

步驟4.1、第一次升級包括RRTMG輻射和CoLM陸面過程的引入以適用于全球大氣環流模擬預報的物理過程包；

步驟4.2、第二次升級從物理機制上改進積云對流和邊界層過程并發展了基于雙參數云物理方案的macro-cloud方案并引入次網格尺度地形重力波參數化以改進模式對熱帶降水和全球云量的預報，能夠減緩在中國東南部的南風預報偏差并改進模式對形勢場的預報；

步驟4.3、在步驟4.1、步驟4.2的基礎上，改進邊界層過程的調用計算，從Lorenz跳點到Charney-Phillips跳點以避免物理過程傾向插值帶來的誤差；

步驟4.4、在輻射計算中根據氣溶膠的直接輻射效應改進陸地上空的溫度預報偏差并采用Hadley中心的海冰分布氣候場；

步驟4.5、優化CoLM中的海冰分布并改進海冰的反照率；

步驟4.6、根據ECMWF模式改進陸地地表反照率的計算；