摘要：使用grapes模式对南海季风爆发进行模拟研究。针对模拟预报中初始场信息偏弱的情况,引入NOAA17卫星AMSU-B资料改进初值。直接利用grapes三维变分同化系统,设计了两个同化试验方案:试验1(T1)同时同化探空资料和AMSU-B资料、试验2(T2)仅仅同化常规探空资料,然后应用grapes有限区域模式进行模拟预报。通过对比试验发现,该模式对初始场的改变十分敏感,可以比较成功地模拟出南海夏季风的爆发时间和爆发候的高、低层风场配置以及季风与季风雨带的向北推进。然而该方案对于雨量和副热带高压位置的模拟,与观测相比尚存在一定的偏差,主要表现为副热带高压位置模拟偏西、偏北;南海地区的降水量模拟偏大、降水范围偏大。

摘要：在非均匀分层下,目前grapes(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式中使用的垂直差分方案只能达到一阶精度。本文设计了一种适用于非均匀分层的二阶精度垂直差分方案,并将它应用于改进grapes模式动力框架的垂直离散化过程。一维廓线理想试验结果表明:二阶精度方案可以减少差分计算误差,而这种改进的幅度相对于差分计算本身引起的误差来说仍然是比较小的。通过密度流试验对修改后的模式动力框架进行测试,结果表明二阶方案可以保持模式动力框架的准确性和稳定性。进一步利用实际资料开展批量测试,发现二阶方案可以降低模式高空要素场的预报误差,而且这种改进随着预报时间的延长变得更为明显。最后选择一次典型的华南暴雨过程进行模拟,同样发现二阶精度方案对于48小时之后的降水会有一定程度的改进。

摘要：基于K廓线闭合方案,通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置,将温湿倾向在整层上直接计算,设计了Charney-Phillips跳点(简称C-P跳点)的边界层方案,使之与grapes全球模式的C-P跳点相协调,解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题,同时避免了耦合时反复插值造成的误差,提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明:C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值,消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动,使温湿廓线分布更合理,减小了模式预报误差,形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了grapes全球模式的总体预报性能。

摘要：依托诊断方法,采用信息技术,实现诊断数据的在线显示和诊断操作人机交互功能,建立支撑grapes物理过程诊断工作的软件平台,为科研用户提供操作便捷,界面友好的专用工具。通过长期与模式研发人员的交流中,积累需求,不断的改进设计,对模式物理过程诊断中的数据处理、图形可视化、图形展示等各个功能模块进行集成,采用界面技术对用户操作实现交互功能,建立高效、完善的图形系统,支撑模式研发所需的模式诊断、数据可视化应用。

摘要：气象数值模式是天气预报的基本工具和方法,随着技术的发展,模式分辨率有了大幅的提高,分辨率的提升使计算量呈指数增长,然而气象预报的时效性对并行程序的设计与计算平台的性能都提出了更高的要求。以grapes_GLOBAL数值天气预报模式为研究案例,以"神威·太湖之光"新一代国产异构众核高性能计算系统为试验平台,分析其程序结构及计算原理,定位影响模式并行效率及扩展性的热点子程序。通过调整程序结构以及添加协处理器加速指示语句,并针对模式系统消息缓存过大等问题,为长波辐射过程的每个热点子程序分别设计了高效的通讯策略。实现了"粗粒度MPI并行+细粒度众核OPENACC并行"多级异构并行方案,使其普遍达到3~6倍的加速。本试验充分继承了原始代码的MPI级并行,同时利用数量众多的协处理器为其中的热点函数提供加速,有效提升模式的并行效率,节约了开发成本。

摘要：伴随技术是四维变分同化(4DVar)系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于grapes(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球切线性和伴随模式1.0版本,利用grapes全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了grapes全球切线性伴随模式2.0版本,提高了grapes全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在grapes全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了G-RAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。

摘要：随着高性能计算机技术的发展和应用,并行计算已成为保证数值天气预报模式业务运行时效的关键技术之一。目前高性能计算机计算能力已达到每秒千万亿次浮点计算,系统中处理器数量也早已达十万甚至更多,如此巨大的计算资源对应用软件系统的设计也提出了挑战。数值天气预报软件系统要充分利用高性能计算机提供的计算资源,必须依靠并行计算方法,这包括适合计算问题的可扩展并行算法的设计、合适的数据分配方案以及良好的任务负载平衡方案。作为中国新一代数值天气预报格点模式,grapes(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System)设计的最终目标是一个科研/业务通用,区域/全球通用模式。作为一个格点模式,grapes的并行计算具有与欧洲中期数值预报研究中心谱模式并行计算不同的特点,grapes的并行计算采用了经典的水平网格数据划分。但对于全球的grapes模式,由于采用拉格朗日差分方案,模式极地及附近区域格点与格点之间距离的减小,使得模式并行计算在采用简单的经纬网格划分方式实现时,必须考虑极地区域并行计算跨越多个处理器时导致的频繁通讯解决途径。本研究提出了利用消息传递组通讯实现全球格点模式并行计算的一种方法,其核心思想是将极点附近一定区域内的处理器按纬向划归不同的处理器组。文中还给出了该实现方法的任务分配算法,提出了改进的任务分配负载平衡方案。在中国气象局高性能计算机IBM-cluster1600上的测试表明,算法具有较好的可扩展性,其负载平衡方案改善了计算的绝对墙钟时间,使并行计算效率提高10%以上。模式的准业务运行结果表明计算墙钟时间基本可以满足数值预报业务的实时性要求。

摘要：平缓-混合地形追随坐标(T-F坐标)可以减小坐标面上的地形影响带来的各种计算误差。以余弦三角函数为基函数的平缓-混合坐标(COS坐标)高层坐标面水平,计算误差较小,但是低层坐标面之间的厚度较薄,增大了计算误差,给模式稳定性及模拟效果带来较大的影响。设计一种改进的COS坐标,使低层坐标面垂直分布更加均匀,应用于grapes-Meso模式进行理想试验和实际模拟试验。结果表明,改进的COS坐标相对COS坐标,中高层计算误差相当,低层地形作用衰减的垂直变化更加均匀,减小了计算误差,提高了计算稳定性;地形重力波试验结果显示,改进的COS坐标重力波破碎相对COS坐标有一定缓解,更接近解析值;批量模拟试验结果显示,改进的COS坐标各个层次上的月平均模拟偏差比单尺度双曲函数平缓-混合坐标(简称SLEVE1坐标)更小,均方根误差减小,距平相关系数增大。改进的COS坐标有效地解决了COS坐标的计算问题,提高了模式预报效果。

摘要：为提高数值预报模式研发效率,以解决模式研发入门难、环节复杂、试验数据缺乏管理、模式研发效果检验分析和诊断难以对比检验等问题,设计开发了模式集成中试支撑平台,该平台主要为科研用户设计和提供可视化的统一用户接口,实现了grapes模式的交互式模式试验构建、配置、编译运行、监控以及试验管理。grapes数值预报模式系统在用不同的试验方案运行时,需要不同的初始数据和配置,在众多的变量因子中,若某些缺省值的设置有变化,则很难对试验结果进行比较。

摘要：选取2007年16号台风"罗莎"为个例,利用耦合双参数混合相云降水物理方案的grapes中尺度模式对其进行模拟,并设计一系列敏感性试验,以了解云微物理过程对登陆台风结构及降水的影响。试验结果显示,在该个例中云微物理过程及潜热的改变对台风路径有影响。在不同的微物理过程作用下,台风云系结构有明显差异。霰粒子在维持地面降水和螺旋雨带强度方面的作用明显。分析发现,潜热过程通过对动力场的反馈可以明显改变云中水凝物的含量和分布,从而对地面降水产生影响。