[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

本發明公開了全球中期數值預報GRAPES_GFS方法，其特征在于，在大規模并行計算方面針對現有半隱式半拉格朗日積分方案在計算效率和可擴展性方面的不足提出對現有框架進行改進，基于半隱式積分格式和線性化系統推出了同時具備高效率和高性能的求解算法。采用非等距差分顯著提高了背景溫度廓線的計算精度，解決了在模式垂直分層厚度劇烈變化層次上背景溫度廓線誤差大的問題；重構和優化數字濾波模塊，提高了數字濾波的穩定性和計算效率；建立了3D?Var一體化的單點試驗系統。

技術領域

本發明屬于全球中期數值天氣預報技術領域，尤其涉及一種GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)全球中期數值預報方法(GlobalForecast System),簡稱GRAPES_GFS。

背景技術

目前，全球中期數值天氣預報系統是數值預報業務體系的核心，既為區域中尺度數值預報提供邊界條件和背景信息，也是全球集合預報的基礎。全球中期預報模式和同化技術的不斷發展在很大程度上推動了世界數值預報整體研究和預報水平的不斷提高[。因此，發展和不斷改進全球中期預報系統是世界各天氣預報業務中心的重點任務。有約束的衛星資料偏差訂正技術，對于更好的利用觀測信息、提高衛星資料使用率和分析精度有顯著的貢獻。傳統的觀測資料偏差訂正主要依賴于觀測和背景的差異，在業務應用中存在的兩個主要問題：(1)當模式存在顯著偏差時，觀測信息會被錯誤訂正；(2)當質量控制不完善時，會造成不合理的觀測偏差估計和訂正。但是，準業務版本GRAPES_GFS 1.0版本在之后的業務運行過程中，表現出形勢場預報技巧不穩定、前三天預報技巧衰減過快、同化得到的初值精度偏低、預報偏差較大、在中國大陸地區預報降水偏弱TS(Threat Score)評分不高的現象，與2009年投入業務的T_L639模式相比有一定差距，尤其是在東亞地區的預報技巧偏低。特別是，模式預報出現不穩定的個例較多。究其原因，與GRAPES_GFS全球同化預報系統中的一些基礎算法和技術細節沒有得到合理、正確解決有關。就全球模式而言，動力框架的半隱式半拉格朗日算法的計算精度偏低以及未考慮如何提高質量守恒性、與半拉格朗日方案有關的計算噪音處理在算法設計中沒有得到充分考慮、大地形處理及次網格地形動力作用考慮不足、模式物理過程優化不足、與云和降水有關的物理過程之間的相互協調和平衡未作細致的評估和調整的問題，嚴重影響了模式的預報穩定性和精度。就全球同化系統而言，準業務版本所采用的等壓面分析導致同化到模式空間存在不必要的插值誤差以及分析變量和預報變量不一致、背景誤差協方差缺乏合理估計和優化、觀測資料的質控和偏差訂正技術粗糙、衛星資料的高質量同化應用技術欠缺的問題，影響了同化的精度。

發明內容

本發明的目的在于提供能夠克服上述技術問題的全球中期數值預報GRAPES_GFS方法，本發明所述方法包括以下步驟：

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(Piecewise Rational Method)；

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QMSL(Quasi-Monotone Semi-Lagrangian，準單調正定拉格朗日平流方案，簡稱QMSL)的混合方案以保證極區濕物理量計算的精度和合理性。