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行业专项成果综述-全球三维变分资料同化框架的改进和业务化

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/6/14 11:38:00   标签:   浏览次数:388

一波中特参考资料 www.81icx.cn

项目编号GYHY201206007

研究周期20121月至 2014 12

国拨经费280万元

项目负责人】韩威

项目骨干成员】朱国富,刘艳,庄照荣,陆慧娟,王金成,刘永柱,王瑞文,杨建新,朱立娟,刘桂青,杨寅,董佩明,潘晓兵,张卫民,曹小群,臧增亮

项目承担单位】国家气象中心

项目协作单位】解放军理工大学气象学院,国防科学技术大学计算机学院

 

主要研究成果

紧密围绕改进GRAPES全球三维变分同化系统的基本分析框架,更有效应用大气观测资料,集中解决GRAPES全球三维变分同化系统业务化进程中的主要科学技术问题,提高GRAPES全球变分同化框架的精度、运行稳定性和分析场精度,本项目的主要研究成果包括十个方面:(1)提高了GRAPES变分同化框架的计算精度。同化系统整体梯度精度达到了14位有效数字,解决了GRAPES全球变分同化系统中伴随检验精度只有2位有效数字的问题。(2)研发并建立了GRAPES背景误差协方差估计系统;新统计背景误差协方差三维机构显著提高了分析场的精度。为实现随流型变化的背景误差协方差打下了坚实的基础。(3)研发了非等距垂直差分方案与高精度插值方案,显著提高了高层分析精度和卫星同化存在的问题;解决了模式层加密和升高后高层分析存在精度显著偏低的问题。(4)借鉴数学上“极小模解”,研发了卫星资料有约束的偏差订正方案,减小了模式的背景偏差对卫星辐射率资料偏差订正的影响,较好地去除了资料本身的偏差,更好地利用了观测信息,提高了分析精度。解决了传统传统观测资料偏差订正在背景(GRAPES)偏差较大时存在较大误差的问题。(5)研发了两种求解模式面平衡方程的方案。一是辅助等压面法,二是直接求解法。解决了模式面上动力平衡方程的求解问题。(6)研发了GNSS掩星折射率的偏差订正方案,有效解决了GNSS掩星折射率存在的偏差及其同化引起的高度负偏差问题,显著减小了分析误差。(7)实现了模式面增量数字滤波方案,提高了增量数字滤波的效果;实现了数字滤波的并行化域代码重构和改进,显著提高了程序的运行效率与稳定性。(8)研究了高分辨率GRAPES全球模式动能谱,并基于条件极值的思想提出了一种新的全局搜索算法,估计动能谱曲线的转折点。发现GRAPE-GFS的计算结果与理论计算结果总体一致,但中小尺度部分的斜率绝对值偏大,说明GRAPES-GFS对中小尺度波动的描述不够充分。设计了一种变分框架的多尺度同化方案,即在大尺度同化的基础上,利用较小的特征尺度进行二次同化。(9)基于后验估计方法,实现了针对GRAPES全球三维变分资料同化系统在观测空间下的观测、背景的误差统计诊断系统;分析诊断了GRAPES等压面系统和最新的模式面系统的性能,发现了其中可能存在的问题,为GRAPES变分同化系统观测误差和背景误差以及性能的进一步优化提供了依据;(10)深入分析了飞机报温度资料存在的偏差,建立了飞机报温度资料偏差订正方案,显著提升了飞机报温度资料同化效果,减小了GRAPES分析场误差。(11)建立了探空黑名单,研发了探空资料的变分质量控制方案,提高了探空资料同化效果。

上述研究成果推动了GRAPES模式面3DVar的改进与完善,显著提高了GRAPES模式面3DVar框架的精度和运行稳定性,无论是北半球或者是东亚地区,分析误差均显著减小,分析误差减小40%以上。在本项目的推动下,实现了GRAPES全球三维变分同化系统的业务化。

项目在模式面平衡方程的求解,有约束的卫星资料偏差订正方法,GNSS掩星资料偏差订正等研究方面具有创新性。

 

成果应用情况

请就成果转化应用情况、对业务发展的贡献与效果,转化应用中存在的主要问题等方面进行阐述。注意文字精炼准确,突出亮点和重点,避免流水账式的冗长叙述。

项目成果促使GRAPES_GFS准实时的变分同化系统完成全面升级。项目研发的更高梯度精度的GRAPES变分同化框架、非等距垂直差分方案与高精度插值方案、模式面平衡方程及求解、背景误差协方差的改进等成果,已经集成进入GRAPES_GFS业务版本中,显著提高了GRAPES_GFS分析框架的精度。

研究成果GNSS掩星折射率资料的误差估计与偏差订正、增量数字滤波及其改进、卫星资料有约束的偏差订正方案、飞机报温度资料的偏差订正方案显著提高了重点观测资料的同化应用水平,显著减小了GRAPES_GFS 3DVAR的分析误差。

两年的回算结果表明,本项目的成果集成进入到GRAPES_GFS系统后,分析误差显著减小,GRAPES_GFS的北半球高度场分析误差减小40%以上,南北半球的各变量分析场误差均明显小于T639模式。该项目研究成果,保证并推动了GRAPES_GFS中期数值天气预报模式的业务化,并保证了南北半球平均预报效果优于业务系统T639。

    上述研究成果均已经集成到GRAPES_GFS_2.0版本,并且于201512月完成业务化应用验收,20166月实现了业务化运行。其中研发的有约束的卫星资料偏差订正方案已经应用于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的IFS模式系统。

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