摘要：According to the modularization and standardization of program structure in Global/Regional Assimilation and Prediction System (GRAPES), the plug-compatible and transplantable regional meso-scale and global middle-range physics software package is established. The package's component integrality is comparative with the other advanced models physics. A three-level structure of connecting GRAPES physics and dynamic frame has been constructed. The friendly interface is designed for users to plug in their own physics packages. Phenomenon of grid-point storm rainfall in numerical prediction is analyzed with the numerical tests. The scheme of air vertical velocity calculation is improved. Optimizing tests of physics schemes are performed with the correlative parameters adjusting. The results show that the false grid-point storm rainfall is removed by precipitation scheme improving. Then the score of precipitation forecast is enhanced.

摘要：A new generation of numerical prediction system GRAPES (a short form of Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) was set up in China Meteorological Administration (CMA). This paper focuses on the scientific design and preliminary results of the numerical prediction model in GRAPES, including basic idea and strategy of the general scientific design, multi-scale dynamic core, physical package configuration, architecture and parallelization of the codes. A series of numerical experiments using the real data with horizontal resolutions from 10 to 280 km and idealized experiments with very high resolution up to 100 m are conducted, giving encouraging results supporting the multi-scale application of GRAPES. The results of operational implementation of GRAPES model in some NWP centers are also presented with stress at evaluations of the capability to predict the main features of precipitation in China. Finally the issues to be dealt with for further development are discussed.

摘要：根据GCSS WG4(Global Energy and Water Cycle Experiment Cloud System Study Working Group 4)第3次个例模拟的观测数据,为GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)设计了一个可用于检验其整套物理参数化过程对夏季中纬度陆地天气过程模拟的单柱模式试验,并利用该试验考察了不同复杂度的两种陆面过程(CoLM和SLAB)对温、湿度和降水模拟的影响。整个观测时段的模拟表明,模拟的降水与观测的量级一致,位温和水汽混合比没有明显偏离观测,这说明本试验的构造是合理的。考虑到模式系统误差对长期积分结果的影响,随后选取了4个降水子时段分别进行积分。结果表明,使用CoLM方案模拟得到的累积降水量均大于使用SLAB方案的,但使用CoLM方案时出现虚假降水的概率较大。由于区域平均的初始热动力廓线比实际降水发生地区偏干,使用两个方案的模拟均对子时段3的第1个降水事件延迟24h左右,这对其在子时段3的相关系数都很小有贡献。时间平均的位温和水汽混合比误差分析表明,使用CoLM模拟的子时段1和2的对流层低层偏冷、偏湿,而其他情况下为偏暖、偏干。对流层低层位温的误差与地表气温的误差一致。此外,还发现使用CoLM模拟得到的感热通量偏小,潜热通量偏大,而使用SLAB模拟得到感热通量偏大,潜热通量偏小。对流层中高层,子时段1和4为偏冷、偏湿,对应降水偏少(使用CoLM的模拟在子时段1的降水偏多归因于虚假降水);子时段2,使用CoLM的模拟为偏暖、偏干,对应降水偏多,使用SLAB的模拟为偏冷、偏干,对应降水偏少;子时段3,使用两个陆面方案的模拟均为偏冷、偏干,对应降水偏多。

摘要：平流计算的精度对数值模式的结果有着重要影响。如何在半拉格朗日模式中发展高阶精度的标量平流计算方案是提高半拉格朗日数值模式精度的重要问题。文中采用计算流体力学中一个新的高精度正定保形的物质平流方案,通过映射单元格方法将其与半拉格朗日模式结合起来,既保留了半拉格朗日时间积分方案中积分时间步长大、计算效率高的特点,又发挥新方案高精度正定保形的平流计算优势。该新的标量平流方案是基于分段有理函数的高阶Godunov方案的变形,称之为Piecewise Rational Method(PRM)。此方案简单、实用,易于编程,可保持平流物理量的守恒。通过一维、二维理想试验,并与PPM(Piecewise Parabolic Method)和采用三次插值的半拉格朗日方案试验结果对比分析,表明物质平流方案对于空间变化幅度大的物理量具有较高的平流计算能力。与三次拉格朗日插值相比,物质平流方案的耗散性更小。与PPM方案相比,两者有不少相似之处,平流效果也几乎相当,但物质平流方案中采用的有理函数的保凸特性,且不需要界面值调整,在实现上相对简单。另外,通过将物质平流方案应用到GRAPES模式中的球面坐标系下的理想试验,进一步确认了物质平流方案的优点及在GRAPES模式中的可行性。

摘要：参考大气的选取对于半隐式半拉格朗日(Semi-Implicit Semi-Lagrangian,简称SISL)模式动力框架的计算精度至关重要。中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES_GFS(Global Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System)采用基于等温大气构造的一维参考大气,该方法求解简单、易于实现,但无量纲气压和位势温度扰动量的数量级较大,降低空间计算精度的同时,由于非线性项较大,使得时间计算精度较低。借鉴近年来世界上各主要业务中心的数值模式框架搭建方法,拟在GRAPES_GFS的动力框架中引入不随时间变化且满足静力平衡的三维参考大气,使得积分过程中参考大气可以尽量地靠近模式大气,提高空间计算精度的同时,减小非线性项的数量级,进而提高时间积分的计算精度。本研究重新推导了引入三维参考大气之后模式动力学方程组的求解过程,通过若干个理想试验验证了理论方法以及代码实现的正确性,说明新的三维参考大气可以有效地提高模式动力框架的计算精度。

摘要：为解决大气输送仿真中保形、正定及计算效率等问题,本研究发展了基于水平-多矩有限体积/垂直-有限差分混合格式和显式成对龙格-库塔方法的高效、高保真平流方程时空离散方案。为去除高阶算法在间断分布附近产生的数值振荡,平流方案在水平和垂直方向分别使用了基于加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)和总变差减小(total variation diminishing,TVD)方法的斜率限制器。在时间积分中,算法使用了二阶成对显式龙格-库塔方法,通过在垂直方向增加内循环中空间离散调用次数增大求解器可用CFL数。成对龙格-库塔时间积分方法能有效缓解大气模式垂直小网格距对积分时间步长的限制,使水平、垂直方向稳定性条件允许的最大时间步长尽可能接近,从而改善模式计算效率。论文中还设计了可用于库朗(Courant-Friedrichs-Lewy,CFL)数大于1情形的迭代正定修正算法,能保证平流方程计算结果严格非负。本文采用二维标准算例对所提出的平流方程算法进行了测试和比较分析。数值试验结果表明:本文提出的算法为解决高分辨、可扩展非静力大气模式中平流输送高保真计算难题提供了一条有效途径。

摘要：对数值模式物理过程与动力框架耦合方案进行了分析,在GRAPES模式中引进了ECMWF模式中的Wedi(1999)耦合方案,此方案考虑了两个时间层物理过程的影响,即将上游点和到达点物理过程的影响同时反馈到动力框架中,它是二阶时间精度的耦合方案,比原一阶精度耦合方案更加合理和准确。利用GRAPES模式,设计了Wedi耦合方案与原耦合方案的连续数值试验。试验结果表明,在逐日降水预报中,Wedi耦合方案与原耦合方案降水预报的T评分(Threatscore)互有高低,但差别不大;预报的降水量可能有较小的变化,但不能使预报降水的等级出现本质的改变。但对其平均后的分析可知,新引进的Wedi耦合方案对预报降水评分具有正的贡献。即新耦合方案完善和改进了GRAPES模式,对提高模式的降水预报准确率具有正效果。

摘要：文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。

摘要：介绍了中国气象局自主研制的新一代全球与区域一体化数值天气预报系统(GRAPES),着重讨论了该系统的全可压/非静力平衡动力框架,全球模式/区域模式一体化设计,半隐式-半拉格朗日差分方案,标准化、模块化、并行化、模式程序软件体系等核心技术特点。GRAPES系统已在国家级、区域级气象业务中心,以及一些大学和研究所得到应用,并在不断地完善和发展。