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关于印发《热带区域数值预报 (2012-2016)发展规划》的通知
时间:2015-10-15    来源:   作者: 广东省气象局    【字体:      
广东、广西、海南省(区)气象局: 根据中国气象局《数值天气预报发展规划(2011-2015 年)》, 结合华南区域气象中心业务需求,华南区域气象中心组织有关专 家编写了《热带区域数值预报(2012-2016)发展规划》。 《热带区域数值预报(2012-2016)发展规划》紧紧围绕提 高天气预报准确率的核心要求,依托我国新一代数值天气预报系 统 GRAPES,面向华南区域数值预报的关键科学技术问题,加强华 南数值预报研究开发与成果的业务转化,加速华南业务数值预报 系统的改进与升级,实现华南区域的数值预报业务在“十二五” 期间的大发展,基本适应精细化气象预报服务业务的需求,并在技术上达到国内一流以及国际上相当经济发展水平地区的先进水 平。 现将《热带区域数值预报(2012-2016)发展规划》印发给 你们,请认真组织实施。 附件:热带数值天气预报发展规划(2012-2016 年) 二○一二年四月一日 主题词:区域 数值 预报 规划 通知 抄送:中国气象局预报与网络司、科技与气候变化司。 中国气象局华南区域气象中心 2012 年 3 月 28 日印发 校对:王桂娟 1 附件: 热带区域数值预报(2012-2016)发展规划 华南区域气象中心 二〇一二年三月九日 2 一、需求分析 从上世纪 50 年代初美国气象学家利用 ENIAC 电子计算机首次进行了 成功的数值预报试验到现在的半个多世纪间,在当代科学技术飞速发展与 理论气象的研究成果的推动下,数值预报技术不断发展和完善,发达国家 的各业务预报中心的数值预报时效与预报准确率逐年提高,目前数值预报 已经成为日常天气预报业务与服务的主要基础。近二十年中,高性能计算 机与以卫星为主体的大气探测系统的发展为数值预报的发展提供了新的 机遇。各国经济与社会发展又对气象预报的精度、时效与内容提出了更高 的要求,传统的主要凭经验的主观、定性预报技术已经不可能满足社会对 天气预报的新需求。利用当代科学技术发展提供的条件,发达国家普遍将 发展数值预报系统作为提高气象预报与服务能力的一个重要途径。数值预 报进入了一个高速发展时期,国际上全球模式的分辨率将达 10-20 公里, 有限区域数值预报模式的分辨率达 1 公里左右;模式内的云及其他物理过 程参数化方案更加精细化;卫星等遥感观测资料已经成为数值预报的基本 资料来源,并将有更多的遥感资料被数值预报系统所吸收使用。数值预报 的技术进步使得预报质量明显改进,以目前国际上数值预报技术最领先的 欧洲中期预报中心为例,全球中期预报平均可信预报时效已超过 8 天,数 值预报的应用已从传统的天气形势与过程的预报扩展到精细的局地气象 要素预报、空气质量与环境预报、水文预报、地质灾害预报、风功率预报 等领域。 改革开放以来我国一直非常重视数值预报的发展数值预报经过十几 年的持续发展,于 1990 年代建立起了较为完整的数值预报体系;进入新 3 世纪后又自主研发了新一代的数值预报系统 GRAPES。目前无论是全球中 期预报,还是中国区域的降水、热带气旋等重要天气的预报水平均得到了 明显的提高。数值预报技术发展模式已从引进吸收逐步迈向自主创新,并 形成了一套具有自主知识产权和业务应用价值的数值模式体系。 数值预报产品在华南区域热带气旋预报、强降水天气的临近预报等业 务中都得到了广泛的应用。华南地区作为我国较早开展数值预报研究与业 务的地区之一,从上世纪八十年代至今已有二十多年的历史。进入新世纪 后,华南区域气象中心的数值预报科研人员积极参与发展我国新一代数值 预报系统 GRAPES 的科研合作,对于该系统的发展,特别是促进其业务化的 进程做出了重要的贡献,也推动了整个区域数值预报水平的提高: GRAPES_Meso 数值预报系统 2004 年率先在广东实现业务化,并在其后通 过不断改进,预报性能逐年提高;广西、海南两区(省)也对该模式的优 化和本地化应用开展了大量工作;在 GRAPES-Meso 基础上建立了南海台风 数值预报系统与华南中尺度预报系统,开发了快速循环同化预报系统 CHAF;同时,在科学技术上取得了一系列有创新的成果,如用“曲率修正 线性平衡方程”改善 3DV 风压平衡约束更新和发展雷达风、回波、卫星等 同化技术等;对预报模式中的地形处理、平流方案、物理过程对动力过程 的反馈计算以及模式侧边界处理等提出了改进方案,提高了模式的预报能 力。目前华南区域气象中心业务运行的中国南海台风模式、华南中尺度模 式和精细预报模式,已成为我国数值预报业务的重要组成部分,模式的形 势场预报和台风路径的预报稳步提高,降水预报、地面要素等也有较好的 业务参考价值。 4 尽管华南的数值预报已经取得很大成绩,但对比先进国家仍有明显的 差距;面临华南区域经济社会的高速发展对天气预报服务提出的新需求, 带来许多新的挑战。目前,我们的预报精细度与预报业务与服务的要求仍 有很大距离,热带气旋、暴雨等重大灾害性天气的预报时效与精度还不能 适应防灾、减灾的要求,预报水平和服务能力亟待提高;数值预报业务流 程需要进一步的优化和升级,以适应多元服务需求,如常规中尺度模式和 台风模式预报服务,短临预报、海洋气象预报、大气环境预报服务,以及 风能、太阳能等精细预报服务。科学技术方面表现在目前的数值预报业务 系统分辨率依然偏低、模式动力过程的计算与物理方案尚有待改进、遥感 资料的利用率不高致使预报初值误差仍较大,特别是各种新型观测资料同 化应用不足、模式动力框架精细化、物理过程本地化等工作相对落后,对 其中的一些关键科学问题缺少深入研究。同时,模式产品后处理、可视化、 释用技术也相对落后,在一定程度上限制了数值预报产品在业务中的利 用。这些技术缺陷一定程度上与计算机的资源不足有关,限制了采用更精 细的模式与更先进的同化方案;但也与数值预报研发与业务队伍的人数与 能力尚不能适应系统发展的任务有关。此外,数值预报支持系统相当薄弱, 相关的图形图像软件、系统开发诊断分析工具等也不能满足新的需求,严 重制约了数值预报产品的应用与研发工作的进度。 国家“十二五”期间的发展规划,特别是华南区域经济与社会发展规 划为华南区域数值预报业务的发展提供了极好的机遇与支持条件:通过中 央与地方的两级支持华南区域气象中心应用于数值预报的计算机的运算 能力有望大幅度提高,华南区域三省(区)以及邻近省的大气探测系统的 5 发展为数值预报提供了大量的精细观测资料,中国气象局在新一代数值预 报系统的改进优化方面的努力将使我们在技术上有了更强的依托与后盾。 “十二五”期间,抓住机遇、缜密规划,实现华南区域的数值预报业务的 大发展,适应精细化气象预报服务业务的需求,并在技术上达到国内一流 以及国际上相当经济发展水平地区的先进水平,是华南区域气象中心共同 面临的重要任务。 二、指导思想与发展目标 1.指导思想 以《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》为指导,围绕提高天 气预报准确率的核心要求,建立和完善有利于数值预报研发和业务运行的 体制机制,依托于我国新一代数值天气预报系统 GRAPES,围绕华南区域 数值预报的关键科学技术问题,以改进业务预报效果、扩充预报能力为导 向,加强研究开发与成果的业务转化,加速业务数值预报系统的改进与升 级,为精细化预报提供技术支撑。 2.发展目标 以 GRAPES_Meso 系统为基本依托,发展建立华南区域气象中心新一代 数值预报业务体系,主要包括:(1)热带区域数值预报系统(也称中国南 海台风数值预报系统),对东亚至西太平洋的热带天气系统的预报有较好 业务效果,对影响我国的热带气旋的路径预报达到国际先进水平;(2)华 南中尺度数值预报系统,对华南区域的地面要素预报的短期预报的业务服 务应用价值比国家数值预报中心的大尺度模式预报有明显增值,特别是强 降水的预报较“十一五”期间有明显改进;(3)能有效同化卫星、雷达等 6 稠密资料的快速循环同化预报系统,为突发灾害性天气的临近预报提供精 细的数值分析产品。 将以上的基本业务系统与各类专业模式耦合,为日常的业务与服务提 供丰富的优质预报产品。 3.技术指标 (1)华南中尺度数值预报系统 实现华南中尺度灾害性天气监测(新一代天气雷达、地面自动站网、 风廓线雷达、地基 GPS 观测等)高时空分辨率的稠密观测资料的同化并投 入业务应用,形成 1-3 公里网格的逐时分析预报产品,逐时滚动更新,支 持临近预报业务; 建立水平分辨率达到 1-3 公里、覆盖华南区域、垂直 60 层以上的中 尺度华南区域数值预报模式,重点改进模式的云物理和边界层参数化方 案,整体提高区域中尺度模式的预报性能,重点是提高模式的降水预报和 地面要素预报能力。 (2)热带区域数值预报系统 以目前的热带区域数值预报系统(中国南海台风数值预报系统)为基 础,提高分辨率和模式动力框架精度,优化物理方案,建立水平分辨率不 低于 15 公里、垂直分层不少于 60 层、预报区域覆盖华南、东南亚、南亚 以及邻近海域的热带区域数值预报系统,实现海气耦合模式在业务中应 用,对于热带天气系统,特别是热带气旋预报有明显改进,重点改进热带 天气形势预报、台风路径与强度的预报,并具备对部分台风生成的预报能 力。 7 能有效利用该地区(特别是热带海洋上空)的卫星监测资料,包括高 光谱红外辐射资料,各类卫星风场观测资料,卫星的云雨观测资料等,提 高洋面分析质量并改进台风初始化方案。 初值与模式扰动相结合开展关于热带气旋的集合预报,进一步提高对 复杂路径热带气旋的预警能力,并提供预报可靠性的估计。 (3)业务应用系统:以上述两个模式系统为基础,发展多种专业预 报模式,包括海浪、潮水、海洋环流模式、大气环境预报模式、风能和太 阳能预报模式等,并利用相应观测订正预报效果,拓展预报能力,同时加 强数值预报产品的动力统计释用技术研发,发展基于格点和站点的精细化 气象要素预报业务。 (4)业务支撑保障系统:建立完善数值预报产品实时检验分析技术、 流程和系统,提高预报员对模式产品的误差订正和模式性能的综合诊断能 力;建立完善的产品后处理系统,开发多种应急预警、预报产品;建立数 值预报业务监视信息系统和产品分发、存取等支持系统。 三、主要任务 根据华南区域气象中心业务需求和中国气象局《数值天气预报发展 规划(2011-2015 年) 》,参考华南区域气象中心现有的技术能力和业务 数值天气预报模式、海洋气象数值预报模式、大气环境数值预报模式等的 现状,制订以下主要研发任务:(1)业务模式系统建设;(2)同化和模式 重点技术开发;(3)基础理论、新方法和业务支撑技术研发。 1.数值预报业务系统建设 根据前述发展目标,通过对现有业务系统的完善和改进、升级,建 8 立达到预定技术指标的热带区域数值预报系统、华南中尺度预报系统和快 速资料更新(逐时同化)系统,并实现业务运行,提升华南区域气象中心的 数值预报水平,升级改进后的华南区域气象中心数值预报业务的框架结构 如下图所示: : 华南区域气象中心数值预报业务示意 重点产品: (1)热带区域数值预报模式(中国南海台风预报模式 15 公里),耦 合海洋、海浪、风暴潮等专业模式,输出七天内形势预报、海洋预报、台 风预报、中尺度天气、海浪和潮水等预报产品。 (2)华南中尺度数值预报模式(1~3 公里),输出 72 小时内逐时地 面要素、边界层风、降水和雷达反射率等精细预报产品。 热带区域数值预报模式(15 公里) 华南中尺度预报模式(1~3 公里) 海洋模式 海浪模式 风暴潮模式 大气环境模式 风能预报模块 强对流预报模块 检验:形势 预报;降水 预报;要素 预报;海洋 气象预报及 专业预报 快速循环(逐时循环)同化预报系统 产品:各类 模式预报网 格产品、可 视化产品; 应急预报、 预警产品 南海台风集合预报系统 资料预处理 预报产品: 台风路径, 强度预报; 风雨预报。 集合预处理 9 (3)同化/模式预报快速循环精细预报系统(1~3 公里),每天运行二 十四次,耦合大气环境模式,驱动风能预报、强对流预报模块,逐时输出 预报产品。 (4)南海台风/华南区域集合数值预报系统(GRAPES-ETC),逐时输 出集合系统的台风路径、台风强度和风雨等预报产品。 建成这一业务系统涉及研究开发、数值预报流程更新、计算机与其他 支撑系统升级三个方面的工作: (1)数值预报业务流程的更新:根据新的数值预报系统结构与高性能 计算机环境,设计高效的作业流程,包括计算机分区和作业顺序,处理好 输入资料预处理、同化计算、模式运行、后处理、业务产品分发和检验评 估、存档等各业务模块互接,实施业务运行的全面实时监控,建立故障发 生时的自动报警与启动故障对策。完善目前尚有缺失的环节,保证业务正 常、稳定运行。 (2)高性能计算机系统与其他支撑系统建设:根据“十二五”期间的 数值预报发展目标,为满足实时业务数值预报系统的计算需求,华南区域 气象中心的高性能计算机的峰值计算速度应达 490Tflops(详见附件 1)。 按照各国数值预报中心计算机配置的经验,为保证实时业务正常运行所需 要的备份计算能力与研究开发应用的计算机相加大体与业务计算机需求 相当,由此综合数值预报业务与研究开发的需要,“十二五”期间华南区 域气象中心的高性能计算机的峰值运行速度应达到 1 peta flops ( 浮点运 算速度 1 千万亿次),并建立与之相应的电源、运行管理系统,增强信息 网络与数据库功能,保证数值预报业务的正常进行。 10 2.主要研究开发任务 (1)多尺度同化技术与稠密资料同化技术研究 采用多尺度分析技术,发展能够同化高时空分辨率的稠密观测资料的 逐时同化系统,为精细数值预报提供更精细的初值。针对不同观测系统的 尺度特征发展合适的雷达反射率、径向风、卫星资料、地面加密资料、地 基 GPS 水汽等观测资料的同化技术,并在多尺度分析的框架内探讨变分方 法与集合卡尔曼滤波各取所长的混合方法,使同化系统能有效融合不同尺 度的观测信息与模式信息,提高同化初值质量。开展云分析和中尺度模式 热启动技术研究,改进模式积分初期的预报效果,提高降水预报的准确率。 (2)GRAPES 动力框架的优化 针对公里尺度分辨率模式的要求,改进 GRAPES 预报模式的动力过程计 算方案,提高在复杂地形条件下半隐式半拉格朗日方案的计算精度,特别 是减少在模式低层动力方程主要项的计算误差,保证模式在公里尺度的分 辨率条件下的稳定运行。 (3)区域模式物理过程方案的改进 以云与降水物理过程、边界层过程为重点,研究发展在本区域具有良 好、稳定预报效果的模式物理过程方案。充分利用近几年积累的外场科学 试验资料,诊断评估现有模式中的云与降水方案的适用性与存在的主要问 题,研究发展改进方案。结合海洋气象观测平台的观测结果开展边界层物 理方案研究,通过与实测资料的对比研究,诊断模式在计算海气、陆气通 量中存在的偏差,分析误差来源,并发展适合华南地区的边界层物理方案。 (4)海气耦合模式的发展和南海台风数值预报研究 11 在热带区域模式基础上发展海气耦合的数值预报系统,提高对热带天 气系统的预报能力,主要应用于南海台风的数值预报。进一步改进台风发 生期间大气边界层结构和对流特征的预报的效果,改进台风初值处理技 术、海气耦合技术,提高南海台风模式的精细预报水平。
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