（气象学专业论文）基于grapes—meso模式的云分析系统设计.pdf

摘要 对于中小尺度数值预报模式而言，湿物理过程即水成物之间的互相转化，成 云致雨过程及其相应的动力、热力效应对降水的预报性能是相当重要的。为提升 g r a p e s m e s o ( 区域中尺度模式) 模式云微物理分析功能，本文参照中尺度模式 a r p s 提供的资料分析系统a d a s 中的综合云分析过程，开发了基于g r a p e s - m e s o 的云分析系统，成功地把地面报文云观测资料、卫星云图资料和多普勒雷达反射 率因子加入到数值模式中。 本文首先介绍了中尺度数值预报模式中云分析的研究进展及原理，分析了将 云分析系统引入g r a p e s m e s o 系统的技术可行性，在此基础上设计了基于 g r a p e s m e s o 模式的云分析系统。该系统包模块括观测资料预处理、三维云量场 分析、湿度场与水成物调整等几个子模块，针对国内观测资料的特点，本文设计 了专门的资料预处理流程。本文详尽分析了多种观测资料对g r a p e s 模式初始三 维云覆盖、水凝结物含量以及初始场的调整。 通过对一次暴雨强降水过程和一次台风登录过程的模拟试验，检验云分析系 统的性能，模拟结果表明：( 1 ) 云分析能够反演出合理的三维云覆盖状况；( 2 ) 在三 维云覆盖的基础上结合云底云项高度，进而反演出云水、云冰、雨水、雪、霰等 云微物理量，并显著改善模式初始湿度场；( 3 ) 云分析系统能够显著缩短模式的积 分调整时间，明显增大了开始几小时的降水量预报，对强降水与台风登录过程模 拟改进效果显著。 通过本文的研究，验证了基于g r a p e s - m e s o 模式的云分析系统的可行性与其 对地面云观测资料、卫星云图以及多普勒雷达反射率数据的同化能力，该云分析 系统模块计算成本小，可实现热拔插，是一种适合业务运行的方法。 关键词：云分析，g r a p e s - m e s o ，多普勒雷达反射率，同化，云量，水成物 a b s t r a c t t h em o i s tp h y s i c a lp r o c e s s e s ( m u t u a lt r a n s f o r m a t i o no f w a t e rs u b s t a n c e ) ，c l o u d a n dr a i nf o r m a t i o n ，a n dc o r r e s p o n d i n gd y n a m i ca n dt h e r m a le f f e c to np r e c i p i t a t i o n f o r e c a s ti si m p o r t a n tf o rt h em e s o s c a l ea n dm i c r o s c a l en u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n m o d e l i no r d e rt oi m p r o v et h ec l o u dm i c r o p h y s i c a la n a l y s i so f g r a p e s m e s o ( r e g i o nm e s o s c a l em o d e l ) ，w eb u l i d e dac l o u da n a l y s i ss y s t e mb a s e d o ng r a p e s m e s om o d e la n ds u c c e s s f u l l ya s s i m i l a t e dc l o u dd a t a ，s a t e l l i t ed a t aa n d d o p p l e rr a d a rr e f l e c t i v i t yf a c t o rd a t ai n t ot h em o d e l t h i sa r t i c l ef i r s td e s c r i b e st h ep r o g r e s sa n dt h ep r i n c i p l eo fc l o u da n a l y s i si n m e s o - s c a l en u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o nm o d e l ，a n dt h e nt h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo f l e a d i n gt h ec l o u da n a l y s i si n t og r a p e s m e s om o d e lw a sa n a l y z e d ，o nt h i sb a s i st h e c l o u da n a l y s i sm o d u l eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do ng r a p e s m e s om o d e l t h e r ea r e s e v e r a lm o n o m i a ls u b - m o d u l e si nt h eg c a s ( g r a p e sc l o u da n a l y s i ss y s t e m ) s u c h a st h eo b s e r v a t i o np r e - t r e a t m e n ts u b - m o d u l e ，3 dc l o u dc o v e ra n a l y s i ss u bm o d u l e ， h u m i d i t ya n dm o i s t u r ec o n t e n t sf i l e da n a l y s i ss u bm o d u l e t h es p e c i a lp r e - t r e a t m e n t p r o c e s sh a sb e e nd e s i g n e df o rd o m e s t i co b s e r v a t i o nd a t a 1 1 1 eg r a p e s c l o u d a n a l y s i ss y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ef i r s tt i m ew h i c hb a s e do nl a p s ( l o c a l a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) c l o u da n a l y s i sp r o g r a ma n dr e f e r r i n gt oa r p s m o d e l ，a r p sd a t aa n a l y s i ss y s t e m ( a d a s ) t h ea d j u s t m e n to f t h e3 dc l o u dc o v e r a n di n i t i a lf i e l da n dc l o u dw a t e ra n dh y d r o m e t e o r sh a sb e e na n a l y z e dw h e nt h e s u r f a c ec l o u do b s e r v a t i o nd a t a 、s a t e l l i t ei m a g ea n d d o p p l e rr a d a rr e f l e c t i v i t yb e e n a s s i m i l a t e di nt h eg r a p e s m e s o i no r d e rt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eg c a s ，ah e a v yp r e c i p i t a t i o n 、a n da t y p h o o np r o c e s sw e r es i m u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o w ：( a ) t h ed i s t r i b u t i o no f3 dc l o u d c o v e rh a sb e e nr e t r i e v e df r o mt h ec l o u da n a l y s i ss y s t e m ；( b ) t h ec l o u dw a t e ra n d h y d r o m e t e o r sh a sb e e np r o d u c e dq u i c k l yb a s e do nt h e3 dc l o u dc o v e ra n dt h eh e i g h t i i o fc l o u dt o pa n db o s o m ，a n da l s ot h ei n i t i a lf i e l dh a sb e e na d j u s t e d ( c ) t h ed u r a t i o n o fs p i nu pt i m eh a db e e nr e m a r k a b l yd e c r e a s e d ，a n dt h ef o r e c a s tp r e c i p i t a t i o nh a s b e e ns i g n i f i c a n f l yi n c r e a s e di nt h ee a r l yh o u r s ，t h ep e r f o r m a n c eo fr a i np r e c i p i t a t i o n a n dt y p h o o nl a n d i n g p r o c e s sf o r e c a s th a sb e e ni m p r o v e do b v i o u s l yt o o t h ef e a s i b i l i t yo fc l o u da n a l y s i ss y s t e ma n dt h e c a p a b i l i t yo fa s s i m i l a t i n gc l o u d d a t a , s a t e l l i t ed a t aa n dd o p p l e rr a d a rr e f l e c t i v i t yf a c t o rd a t aw e r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h ec l o u da n a l y s i ss y s t e mi ss u i t a b l et oo p e r a t i o n a lr u n n i n gf o ri t sl o w c o m p u t a t i o nc o s ta n dh o t - s w a ps u p p o r t k e y w o r d ：c l o u da n a l y s i s ，g r a p e s m e s o ，d o p p l e rr a d a rr e f l e c t i v i t y , a s s i m i l a t i o n ， c l o u dc o v e r , m o i s t u r ec o n t e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：犀歪丝 签字日期：鲨尘：曼：! 里 关于论文使用授权的说明 本学位论文是在南京信息工程大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕士 学位论文。本论文的研究成果归南京信息工程大学所有，本论文的研究内容不得 以其它单位的名义发表。本人完全了解南京信息工程大学关于保存、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文 被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数据库和 编入中国知识资源总库，同意按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版 章程规定享受相关权益。本人授权南京信息工程大学，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 彪盘缒 签字 日期： 导师签名：型：竺：! 签字日期： 前吉 翮舌 对于中小尺度数值预报模式而言，湿物理过程即水成物之间的互相转化，成 云致雨过程及其相应的动力、热力效应对降水的预报性能是相当重要的。常规的 观测资料难以捕捉到中尺度环流信息，而云水、雨水等又不是直接的观测量，因 此，传统的分析系统并不分析湿物理量，模式必须通过一段时间的运转才能生成 云水、云冰等物质，这就造成了降水开始时刻的滞后。云参数是雷达资料反演的 一个重要方面，云降水过程不仅是中小尺度数值预报的直接对象，而且通过相变 潜热、水凝物负荷和水汽密度对大气热力、动力和辐射过程有重要的直接反馈作 用。 近年来卫星、多普勒雷达等非常规资料的利用成为资料同化研究的一个新方 向。l i n 等首先开发了使用雷达资料对云分辨率模式进行初始化的程序，发现1 5 m i n 内的短时预报与观测很一致。x u e 等由反射率因子导出初始的云水含量来加 湿初始状态，发现同化雷达反射率因子对飑线的模拟有较大的正影响。国内学者 徐慧、葛文忠等将雷达、卫星资料加入m m 4 中尺度数值模式，对淮河流域暴雨 实时数值预报进行了试验。徐玉貌等将“7 1 3 ”测雨雷达和g m s 卫星云图资料引 入m m 4 中尺度模式，改变初始湿度场，并对两个不同类型的江淮暴雨过程进行 了数值模拟敏感试验。徐枝芳等将雷达、卫星资料通过改变水汽场加入m m 5 中 尺度模式中，对湖北东部地区的特大暴雨进行了数值模拟，得到了比较理想的结 果。 g r a p e s ( g l o b a la n dr e g i o n a la s s i m i l a t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 是中国气象 科学研究院数值预报研究中心自主开发的新一代静力非静力多尺度通用数值预 报模式，以多尺度通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台的新一代 数值预报模式系统。g r a p e s 模式是集常规与非常规变分同化、静力平衡与非静 力平衡、全球与区域模式、科研与业务应用、串行与并行计算、标准化与模块化 程序、理想试验与实际预报等为一体，中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系 统。g r a p e s 模式采用半隐式半拉格朗日时空分离技术，水平方向采用 1 a r a k a w a - c 网格格点，垂直方向采用c h a m e y - p h i l l i p s 非均匀跳层设计。该模式软 件具有模块化、标准化、并行化的特点，具有高可移植性和高度兼容性。 为提升g r a p e s 模式云微物理分析功能，本文参照中尺度模式a r p s 提供 的资料分析系统a d a s 中的综合云分析过程，开发了基于g r a p e s 区域中尺度 模式的云分析系统，成功地把地面报文云观测资料、卫星云图资料和多普勒雷达 反射率因子加入到数值模式中。 本文首先介绍了中尺度数值预报模式中云分析的研究进展及原理，分析了将 云分析系统引入g r a p e s m e s o 系统的技术可行性，在此基础上设计了基于 g r a p e s m e s o 模式的云分析系统。该系统包模块括观测资料预处理、三维云量 场分析、湿度场与水成物调整等几个子模块，针对国内观测资料的特点，本文设 计了专门的资料预处理流程，实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反 射率资料在g 黜廿e s m e s o 模式中的综合同化应用。本文详尽分析了地面云观测 资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率多种观测资料对g r a p e s 模式初始三维云覆盖、多相混合比等云微物理因子以及初始场的调整。 为检验云分析对g r a p e s m e s o 的预报效果的影响，本文对一次强降水过程 和一次台风登录过程进行了数值模拟，模拟结果与分析结论如下： ( 1 ) 云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普 勒雷达反射率的同化，能够反演出合理的三维云覆盖状况。 ( 2 ) 在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度，进而反演出云水、云冰、 雨水、雪、霰等云微物理量，并显著改善模式初始湿度场。 ( 3 ) 云分析系统能够显著缩短模式的积分调整时间，明显增大了开始几小 时的降水量预报，对整体的降水预报效果也有显著改善。 ( 4 ) 在台风登录过程的模拟中，虽然对台风路径的预报有所偏差，但对比 控制试验，云分析发挥了显著的正作用，通过对云分析后初始场反演的雷达回波 进行了检验，验证了云分析的可行性与正确性，预报试验中其对台风路径、强度、 风雨预报的影响也均为正效果。 ( 5 ) 在云分析中发现，地面云观测资料对云分布的调整主要在低层；卫星 2 红外云图对云量的调整主要集中在中高层；多普勒雷达反射率资料对云量的调整 具有最主要的贡献，主要集中在中低层，特别是对云团的内部结构能有良好的反 映；可见光云图对云分布的调整效果不显著。 ( 6 ) 在模拟出三维云状后，结合多普勒雷达反射率反演云水、云冰、雨水、 雪、霰等云微物理量，这对于缩短模式积分调整时间，快速形成降水起到了至关 重要的作用。 通过本文的研究，验证了基于g r a p e s m e s o 模式的云分析系统的可行性与 其对地面云观测资料、卫星云图以及多普勒雷达反射率数据的同化能力，该云分 析系统模块计算成本小，可实现热拔插，是一种适合业务运行的方法。当然仍有 如下问题值得改进和研究：综合云分析如何与模式、区域和分辨率协调一致；如 何进行多次循环同化：还应进行单独针对每种资料的云分析模拟试验检验；雷达 反射率资料的质量控制应进一步调整；云分析系统中还应考虑模式初始湿度场、 温度场与动力场的协调问题等。 本文所做的工作主要属于业务应用型研究，后期还将对g r a p e s s m e s o 云 分析系统开展大量的模拟检验，研究成果或将在g r a p e s r u c ( 快速同化) 系 统中得到推广应用，但还需继续完善。 3 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国是自然灾害频发的国家，在我国自然灾害的种类、频数方面尤以气象灾 害最为突出。气象灾害除了台风、暴雨、洪涝、干旱等大范围重大灾害外，局地 暴雨、冰雹、龙卷、雷暴、大风等中小尺度强对流天气，往往更能造成山洪暴发、 泥石流肆虐等严重的自然灾害。中小尺度灾害性天气的特点是局地性强和突发性 强，依靠传统技术手段的常规气象观测网，很难及时捕捉其踪迹，更难提前做出 准确的局地强对流天气预报。 以往在中小尺度天气系统的模拟中，多采用“冷启动”方式提供初值条件， 即在不考虑凝结和潜热释放的情况下，初始场仅包含水平风场、气压场及温度场 等信息，让模式通过大气基本方程的积分调整来产生非绝热参数，这不仅需要长 时间的调整，对云和降水的预报仍然很困难，尤其对冰雹等极短时的剧烈天气现 象而言，模式的热启动是必须考虑的问题。目前己发展了一些利用卫星及多普勒 天气雷达资料反演大气三维风场、温度场及云微物理场的一些方法，初始时刻就 包含了云的微物理场，由此改进了中尺度大气模式积分初始场，提高了临近数值 天气预报的准确率。云参数是雷达资料反演的一个重要方面，云降水过程不仅是 中小尺度数值预报的直接对象，而且通过相变潜热、水凝物负荷和水汽密度对大 气热力、动力和辐射过程有重要的直接反馈作用阻1 1 。 我国正在建设新一代天气雷达网，目前已经建成多普勒天气雷达1 5 0 多部， 如何利用这些多普勒雷达的观测资料，如何能够有效的把这些资料用于我国的数 值预报中，及时准确的预报灾害性天气，降低损失减少灾害，成为我们工作的重 点5 1 。 g r a p e s ( g l o b a la n dr e g i o n a la s s i m i l a t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 是 中国气象科学研究院数值预报研究中心自主开发的新一代静力非静力多尺度通 用数值预报模式，以多尺度通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台 4 的新一代数值预报模式系统哺3 。研究如何利用多普勒雷达资料提升g r a p e s 中尺 度模式( g r a p e s - m e s o ) 云微物理分析能力继而提升其对中小尺度天气过程的预 报能力对于提升我国的数值预报水平具有积极意义。 1 2 多普勒雷达、卫星资料同化研究进展 1 2 1 多普勒雷达风场同化研究进展 多普勒雷达观测到的径向速度是指目标物沿着多普勒雷达波束轴线方向的 运动速度，要把多普勒雷达资料径向风信息放入数值模式中，一种方法就是对径 向速度进行反演，得到风矢量场，然后把矢量场代入数值模式中。 1 2 1 1 传统反演方法 多普勒天气雷达资料的风场反演研究始于1 9 6 0 年代，l h e r m i t t e 口3 等( 1 9 6 1 ) 提出了经典的速度方位显示方法( v a d ， v e l o c i t ya z i m u t hd i s p l a y ) ，在均匀风 的假定条件下，由径向风场反演出平均风速和平均风向。b r o w n i n g 阳1 等( 1 9 6 8 ) 在三维c a r t e s i a n 坐标中反演出局地平均水平风场的垂直廓线。w i l s o n 等还指 出v a d 方法可以用来计算雷达站周围的平均降水率阳1 。在此后的四十年中，由v a d 技术演绎出的风场反演方法还有：s r i v a s t a v a n 等推广速度方位显示方法 ( e x t e n d e d v a d ) 方法；e a s t e r b r o o k n 及w a l d t e u f e ln 2 1 射等( 1 9 7 5 ) 在局地均匀风的 假定条件下，先后提出了速度面积显示v a r d 方法和速度体积处理( v o l u m e v e l o e i t yp r o e e s s i n g ) 方法；陶祖钰n 司( 1 9 9 2 ) 提出了从单d o p p l e r 速度场反演风 矢量的速度方位处理( v a p ) 方法；姜海燕和葛润生n 6 3 ( 1 9 9 7 ) 发展了涡度一散度方 法；风场的二维结构，忽略了垂直项涡度的影响，所以与真实风场有一定差异。 郎需兴和魏鸣红阻7 3 等( 2 0 0 1 ) 借助变分的思想将水平切向风场转换成水平风场的 v p p 方法等。闵锦忠和周振波等n 明( 2 0 0 5 ) 结合实际风场提出了扩展v a p 方法。 梅珏和梁旭东等n 钾( 2 0 0 7 ) 通过采用给定方位角内风场均匀的假定提出积分速度 方位处理技术( i v a p ) 方法。 1 2 1 2 变分反演方法 运用变分思想反演多普勒天气雷达探测资料的方法主要有二类。第一类方法 5 是简单共扼( s i m p l e aa d j o i n t ) 函数方法啪3 ，基于反射率和或径向速度守恒方程 及其伴随方程，利用三维变分方法( 3 d v a r ) ) 修正了水平方向的速度分量，反演 低层平均速度场，把反演对象确定为若干次雷达扫描( 通常是3 - 5 次) 的时间平均 场，将问题转化为参数估计问题晗。 第二类变分反演方法基于四维变分( 4 d v a r ) 的思想，结合完整的数值模式反 演出风场以及热力场，可以同化到中小尺度模式中去，提高模式预报初始场。但 是无论是简单共扼函数方法，还是基于四维变分的方法，实质上解决的都是多普 勒天气雷达资料的反演问题。 近1 0 多年来，在采用四维变分方法反演多普勒雷达资料的研究中，s u n 等 采用四维变分方法和云尺度数值模式及其伴随，从单部( 或多部) 多普勒雷达资料 反演三维风场、温度场、气压场和水汽场( 包括微物理量) 。s u n 等利用多普勒雷 达四维变分同化系统( v d r a s ) 反演的风场和温度场做暴雨预报，结果表明利用雷 达资料的数值预报结果比外推法更可靠。 1 2 1 3 多普勒雷达资料直接同化方法 由于反演同化，同时存在反演误差和同化误差，很大程度上降低了结果的可 靠性。因此，近年来雷达资料直接同化的研究越来越多，目前采用的主要方法有 变分和集合k a l m a n 滤波口。 三维变分同化雷达径向风资料近几年来取得了较大的发展，n c e p 将v a d 资 料同化向速度资料直接同化的比较，结果发现：对于格距在1 卜2 0 公里的模拟， 同化效果相近，但对于几公里或更高分辨率的模拟，直接同化径向速度的效果更 好。 l i n d s k o gm ( 2 0 0 2 ) 介绍了h i r l a m 模式三维变分系统的雷达风场资料同化模 块，该系统除了可以同化雷达v a d 产品外，还可以将径向风资料以超级观测 ( s p u e ro b s e r v a t i o n ) 的形式直接同化。通过个例试验表明不管是哪种形式的同 化，都对预报结果有积极的作用。 m m s ( w r f ) 模式的资料同化系统开发了雷达资料直接同化模块，x i a o q i n g n o n g 等( 2 0 0 5 ) 采用该系统，对一次暴雨过程进行了研究，表明雷达径向风 6 资料对雨带的范围和强度预报有积极的作用，其他物理量的预报也有所改善。 g a o 等( 1 9 9 9 ) 开发了多普勒雷达三维变分同化系统，背景场误差用递归滤波 拟合，并在目标函数中加入了连续性方程作为约束，结果表明得到的风场的效果 好于普通的双多反演方法。 早在1 9 6 0 年，p o t t e r 阮1 等人就提出了集合资料同化的概念。而直到1 9 9 4 年 该方法才得到比较完整的描述，并应用于海洋资料同化晗引。1 9 9 8 年，h o u t e k a m e r 和m i t c h e l l 瞳钔开始把集合k a l m a n 滤波用于大气资料同化。集合k a l m a n 滤波资 料同化的基本思想是利用m o n t ec a r l o 方法设计预报状态的一个集合，该集合的 平均可做为对大气的最佳估计，该集合的样本协方差即作为背景误差协方差的近 似，该集合通过任何模式向前积分，每个样本分别更新分析变量，而对变量的最 佳估计即为各更新分析变量的样本平均乜5 1 。 t o n gm i n g j i n g 和x u em i n g ( 2 0 0 5 ) 进行了集合卡尔曼滤波同化雷达资料的理 想试验采用一个完全可压的非静力模式，包含复杂的冰相物理过程，结果表明 由集合成员导出的流依赖的，动力协调的背景场误差协方差对同化的结果有重要 影响。并且同化后的超级单体风暴至少可以较好地维持2 个小时。 虽然，集合卡尔曼滤波方法是目前研究的热点，但都尚在理想试验阶段，方 法本身还有许多技术问题有待解决，而四维变分法牵涉到整个模式的伴随，开发 和维护伴随模式是一项艰巨的任务，且计算量非常巨大。三维变分方法虽然理论 上不如四维变分和集合卡尔曼滤波完美，但它比较简单，易于实现，目前有多家 机构将其用于业务运行。 1 2 2 雷达与卫星资料同化的研究进展 近年来卫星、多普勒雷达等非常规资料的利用成为资料同化研究的一个新方 向。l i n 等馏剀首先开发了使用雷达资料对云分辨率模式进行初始化的程序，发现 1 5m i n 内的短时预报与观测很一致。x u e 等晗力在一次飑线过程的模拟中，在1h 的间歇资料同化窗中利用雷达反射率因子调整模式的水汽和云水场，模式的结果 说明对这次过程的准确模拟有正的影响。h u 等、2 们用a r p s 3 d v a r 系统中的云分 析模块同化雷达反射率因子，进而调整云内温度和湿度场，对一次龙卷风暴的模 7 拟中得到比较满意的结果，他认为在风暴的资料同化和预报中，雷达反射率资料 总的来说比径向风资料效果更显著。 国内学者江敦春等啪将卫星云图资料应用于台风预报的数值模拟，改善了对 台风暴雨和雨量中心强度的模拟。程无兴将处理后的云图资料输入到m m 4 中， 对h u b e x 期间的暴雨进行了研究。由于改善了的初始湿度场，也取得了较好的模 拟效果。模拟徐慧、葛文忠等m 3 将雷达、卫星资料加入姗4 中尺度数值模式，对 淮河流域暴雨实时数值预报进行了试验。徐玉貌等呤3 1 将“7 1 3 测雨雷达和g m s 卫星云图资料引入m m 4 中尺度模式，改变初始湿度场，并对两个不同类型的江淮 暴雨过程进行了数值模拟敏感试验。徐枝芳等泓3 将雷达、卫星资料通过改变水汽 场加入m m 5 中尺度模式中，对湖北东部地区的特大暴雨进行了数值模拟，得到了 比较理想的结果。 1 3 云分析方法简述 本文应用云分析方法，借鉴了美国“风暴分析预报中心”开发的中尺度模式 a r p s ( a d v a n c e dr e g i o n a lp r e d i c t i o ns y s t e m ) 模式的资料分析系统a d a s ( a r p s d a t aa n a l y s i ss y s t e m ) ，是基于l a p s ( l o c a la n a l y s i sa n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 云分析方案。 1 3 1l a p s 云分析方案简介 美国n o a a 下属的e s r l ( e a r t hs y s t e mr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 实验室( 即以 前的f s l ，预报系统实验室) 研究开发了l a p s 系统( l o c a la n a l y s i sa n d p r e d i c t i o ns y s t e m ) ，即局地分析预报系统，主要解决预报员不能在工作站上看 到所有资料的信息，尤其是在全国区域模式中未能充分应用诸如多普勒雷达资料 以及中尺度加密观测资料在内的局地探测资料的问题。该系统从2 0 世纪9 0 年代 开发以来，经过了1 0 多年的发展，由f s l 负责维护，不断更新，仍在免费对外 发布。l a p s 系统已经在美国f s l 针对某个区域实时运行，在日常天气总结中给 出了围绕该系统的分析及预报结果。l a p s 系统不仅在美国的高校及实验室得到 应用，并且在中国、台湾、意大利、泰国、韩国等都己被移植应用并实时运行。 r 该系统开发语言与编程工具：l i n u x 系统为操作系统，对于c p u 、内存及硬盘要求 不高，选择了f o r t r a n ，c + + 为主要编程工具，需要的相关软件包括n e t c d f ，p g f 9 0 ， g c c 等。系统安装比较方便，只需将压缩包解压后，设置运行环境即可口5 、3 训。 系统特点及功能：l a p s 系统具有可移植、可扩充、方便、高效等特性，可以 利用所有可以获取的资料，创建分析和预报网格，建立为专门预报应用服务的产 品，并使用先进的显示技术。该系统将各个气象观测系统中获取的资料融合分析 到一个针对某个区域的高分辨率的网格上，即通过l a p s 系统将来自局地中尺度 加密网的资料包括地面观测系统、多普勒雷达、卫星、风和温度( r a s s ) 廓线、辐 射廓线仪、飞机报等融合成一个覆盖1 0 4 0k m x1 2 4 0k m 区域的逐小时三维高分 辨率格点场。其用到的分析资料除了上述的局地中尺度加密网观测的资料之外， 还包括全国区域局地数值预报模式( 初猜场) 、a c ar s 、met ar s ( 机场发布的 常规天气报文) 、探空及g p s 水汽反演资料等。其优点是有利于增加国家集中的 产品，提高空间和时间分辨率，改善云和降水预报，捕捉更详细的地形作用，可 以更灵活地满足局地天气预报需要。 1 3 2lap s 系统主要内容 lap s 系统主要包括3 个部分：资料融合模块，资料分析模块，接入预报模 式模块。 1 3 2 1 融合模块 lap s 融合模块，通过对不同资料的相应处理，生成输入分析模块的中间 文件。原系统包括若干个融合部分，分别针对模式背景场、雷达、多种探测手段 探测的地面资料、廓线仪、飞机报、探空及辐射仪、卫星、g p s 及其它类型的资 料源。 1 3 2 2 分析模块 lap s 分析系统包括风分析，温度一高度分析，云分析，湿度分析，根据输 出场反演其它物理量的导出分析，雪降液态等价物降水分析，土壤湿度分析以 及高度、风及云的准地转平衡处理等几个部分。风分析使用的资料包括融合模块 得到的背景场以及进行质量控制后的观测资料，包括地面观测、廓线、云导风、 9 多普勒雷达及飞机报等。根据不同类型观测资料的阈值，舍弃所有背离背景场的 观测数据。 风分析分3 步完成。第1 步，用多层迭代连续订正技术分析了不含雷达资料 的背景场。第2 步，用第1 步的结果作为新的背景场，用到的资料包括非雷达资 料，也加入了带有多雷达径向速度的格点。在退模糊及其它质量控制完成后，加 入多普勒雷达的径向速度。如果两个或多个雷达能确定一个给定的格点，则可结 合径向速度和前一步的不含雷达资料的分析结果来构造一个完整的风矢量。依靠 连续插入方法，由背景场( 不含雷达资料的分析场) 开始，依次是各个雷达的径向 速度。第3 步，用第2 步的结果作为背景场，这步用到所有格点的资料，包括仅 由单个雷达确定的网格。通过利用前一步( 不含雷达资料或含有多雷达资料) 的背 景场来估计各个雷达观测的切向分量。积分水平风散度计算垂直速度场，由地面 风和地形梯度来确定低层边界条件。温度分析要用到背景场、地面分析场、探空 资料融合场等。首先对各种手段探测的温度进行质量控制，如果一种探测资料的 任一层上的温度偏离背景场而超过阈值，则该探测资料被舍弃。云分析主要是将 之前所作的几个分析结果与机场发布的云层常规天气报文资料( m e t a r ) 相结合。 这些分析包括三维温度分析结果，由雷达资料导出的三维l a p s 反射率以及卫星 红外波段资料推导出的云顶分析。首先在水平方向上分析了m e t a r 资料给出的垂 直云，产生初步的三维分析场，提供云层的垂直及近似水平分析。然后用三维温 度分析资料把卫星云顶温度场修改成云顶高度场，再将云顶高度场插值到初步的 云分析场以求更好地确定云顶高度及水平云分析。利用统计方法消除m e t a r 资料 与卫星资料之间的差异，最后将三维雷达反射率场插值到分析场中确定云分析。 水汽分析用到背景场资料、地面分析场、云分析场、温度分析场、探空资料、卫 星资料等资料中的水汽信息，输出场主要包括三维比湿、相对湿度以及总的可降 水量。水汽分析利用b a r n e s 分析方法处理探空资料。一般b a r n e s 分析方法包括 两个部分，首先是以相邻点的距离为权重插值到整个区域，然后将插入到整个区 域的值与观测值之间的差异场加到调整权重后的插值场中，以便更好地协调尺度 影响。 1 0 在l a p s 水汽分析中，直接用l a p s 背景分析场作为b a r n e s 分析第一步的结 果，利用与l a p s 区域分辨率和观测资料密度相协调的权重来处理l a p s 背景分析 场与观测值之间的差异场。l a p s 提供了水汽分析中的变分方法需要卫星向前辐 射模式。该向前辐射模式根据温度、水汽以及由地面或云顶温度、气压推出的臭 氧廓线推算出辐射。l a p s 除了给出这些基本物理量的分析之外，还提供了一些 由上述分析量导出的衍生产品，包括结冰指数、k 指数、对流有效位能、螺旋度、 火灾天气指数等。根据实际情况，还提供了降雪分析、土壤湿度分析以及各个量 的准地转平衡场等。一些指数的定义是基于美国天气特征的基础上定义的，因此 进行局地化移植需要对本地天气特征进行统计后，重新定义这些参数。 1 - 3 3a r p s 模式及a d a s 简介 a r p s 模式是美国o k l a h o m a 大学c a p s 中心在2 0 世纪9 0 年代初期开始开发 的中尺度非静力平衡模式，它是一个高分辨率的多尺度模式，适合风暴尺度的数 值模拟。它基于完全可压缩的n a v i e r - s t o k e s 方程，采用广义的z o 地形追随坐 标，包括多种物理过程和参数化方案。有关a r p s 模式的详细介绍参见文献1 。 a r p s 模式的资料分析模块a d a s 采用的分析方法是一种连续迭代方案啪3 ，由 于不需要进行大矩阵求解，这种方案非常节省机时。a d a s 对雷达资料的处理包括 利用径向风进行风场调整、微物理调整和复杂云分析系统。 风场调整是将雷达探测的径向风转化成u 、v 风分量的增量进行的。微物理 调整主要是根据雷达反射率在三维空间上进行湿度、云水、雨水、冰、雪和雹等 湿度量进行局地调整，即若某一点的反射率超过某一临界值，该点就调整，再通过 客观分析将这种局地调整进行空间上的传播。 a d a s 模块中还包含了一个复杂云分析系统，它实际上是一个独立于a r p s 模 式的一个简单云模式。该模块是从美国的l a p s ( l o c a la n a l y s i s a n dp r e d i c t i o n s y s t e m ) 模式移植过来，并经改进和优化。云分析模块的设计目的就是融合g o s ( 地 球观测系统) 地面观测的云观测报告，静止气象卫星的红外和可见光图像资料以 及雷达的反射率资料等来构建一个三维的云及水成物的分析场，并通过非绝热初 始化方案进行热力调整，为模式的预报提供一个更合理的初始场。主要分析产品 1 1 包括三维的云量场、云水及云冰混合比、云及降水类型、结冰严重指数、雹混合 比、云底及云项高度等。并通过非绝热初始化方案进行热力调整( 相关的详细介 绍参见文献3 ) 。 1 2 第二章g r a p e s m e s o 模式简介 g r a p e s ( g l o b a la n dr e g i o n a la s s i m i l a t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 是 中国气象科学研究院数值预报研究中心自主开发的新一代静力非静力多尺度通 用数值预报模式，以多尺度通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台 的新一代数值预报模式系统。其中g r a p e s - m e s o 是g r a p e s 区域中尺度数值预报 的英文缩写名，发布于2 0 0 4 年3 月。g r a p e s 模式是集常规与非常规变分同化、 静力平衡与非静力平衡、全球与区域模式、科研与业务应用、串行与并行计算、 标准化与模块化程序、理想试验与实际预报等为一体，中小尺度与大尺度通用的 先进数值预报系统。g r a p e s 模式采用半隐式半拉格朗日时空分离技术，水平方 向采用a r a k a w a - c 网格格点，垂直方向采用c h a r n e y p h i l l i p s 非均匀跳层设计。 该模式软件具有模块化、标准化、并行化的特点，具有高可移植性和高度兼容性 【4 l 、4 2 2 1 模式软件框架 g r a p e s ( g l o b a la n dr e g i o n a la s s i m i l a t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 度 通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台的新一代数值预报模式系 统。该模式不仅采用了多尺度统一模式的设计思想，在模式软件设计上也采用了 模块化、标准化等现代软件设计思想，目的是为了使g r a p e s 的研究开发能够吸 纳国内外数值预报的优秀成果，方便科学家开展联合工作和交流1 。 作为一个大型数值预报软件，g r a p e s 模式的开发体现了软件工程的工作模 式。在以往的模式开发过程中，不同模式的软件结构之间互不相同，甚至同一模 式内部也同时存在多种不同的编程风格、使用不同的接口协议。这种开发方式使 得各模式之间的成果很难交流，也阻碍了让更多的科学家参与到模式的研发中 来。为了实现g r a p e s 模式软件系统标准化、模块化和软件开发的可靠性、可用 性和可扩展性，为软件开发的控制和管理提供保障，缩短软件开发周期，减少程 序错误，提高模式可读性和可移植性，为g r a p e s 数值预报系统的可持续发展奠 1 3 定基础，g r a p e s 程序系统在开发初期即完成了中国气象数值预报创新软件编 程标准的编写，并严格按照编程标准的要求，完成g r a p e s 软件系统各 阶段的任务，包括科学文档的编写、程序结构的设计、数据流程的确定。在g r a p e s 系统软件编写过程中，注意保持程序良好的编程格式和程序结构，并严格遵循软 件包编写“可插拔 的思想，保证软件包的独立性。 g r a p e s 软件程序设计的目标包括：保证模式系统软件的通用性，使g r a p e s 模式软件框架可适合于不同的应用以及计算机平台；使用f o r t r a n9 0 的模块 化编程语言，确保模式各软件包的独立性；提供多层次并行计算功能，使模式 能在不同结构计算机平台上高效运行；提供与国际上常用数值预报资料的接 口，使模式输入输出方便灵活。 2