數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES的科學(xué)設(shè)計與應(yīng)用

前言

　　中國是世界上氣象災(zāi)害種類最多、發(fā)生最頻繁的國家之一。在進入21世紀的5年里，僅因暴雨造成的洪澇成災(zāi)面積就達到1.92億畝（1畝≈667m。），受災(zāi)人口1.61億，死亡1510人，直接經(jīng)濟損失1006億元。單以2005年而言，珠江流域的暴雨引發(fā)了百年不遇的洪澇災(zāi)害，遼河流域發(fā)生了近十多年來的最大洪災(zāi)，漢江、渭河發(fā)生嚴重秋汛；臺風(fēng)頻繁襲擊我國，特別是海棠、麥莎、泰利、卡努四個強臺風(fēng)登陸我國，從南到北影響我國沿海廣大地區(qū)，造成巨大的經(jīng)濟損失，部分地區(qū)還因暴雨引發(fā)嚴重的地質(zhì)災(zāi)害；12月初開始，地處山東半島的煙臺和威海等地又先后遭受3次強暴風(fēng)雪的襲擊。對災(zāi)害性天氣的準確預(yù)報，無論對政府部署、指揮社會的防災(zāi)抗災(zāi)，還是個人有效地采取防災(zāi)措施都有著重要的意義。因此，災(zāi)害性天氣預(yù)報已經(jīng)成為社會最關(guān)注的熱點之一?！　∮捎谌驓夂蜃兓瑯O端天氣氣候事件增多，對經(jīng)濟、社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全的危害也持續(xù)增加，嚴重影響著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。在全球氣候持續(xù)變暖和區(qū)域氣候環(huán)境變化的作用下，中國生態(tài)與環(huán)境顯得相當(dāng)脆弱，水資源危機日益突出，公共安全受到挑戰(zhàn)，對氣象災(zāi)害的防御也顯得更加緊迫，災(zāi)害性天氣預(yù)報的重要性也就更為突出。　　除了防災(zāi)減災(zāi)以外，隨著國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，人們對于天氣預(yù)報提出了更多、更細的需求，例如，重大社會活動的氣象保障、空氣質(zhì)量的預(yù)報等。北京已經(jīng)獲得2008年奧林匹克運動會的舉辦權(quán)，中國將圍繞“綠色奧運、科技奧運和人文奧運”三大主題開展工作。奧運氣象預(yù)報服務(wù)是一項新的任務(wù)和挑戰(zhàn)，更是一份重要的責(zé)任，而其基礎(chǔ)則是高精度的定點、定時、定量的氣象預(yù)報?！　「哔|(zhì)量的氣象預(yù)報對于減災(zāi)防災(zāi)，提高人民生活質(zhì)量，加強國防安全，促進國民經(jīng)濟持續(xù)增長與社會發(fā)展有重要意義，作為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展主要成就之一的數(shù)值天氣預(yù)報是提高氣象預(yù)測水平的主要科學(xué)途徑，發(fā)展我國數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)使之滿足國家多方面對氣象服務(wù)的需求是一項重要的氣象科技發(fā)展任務(wù)，也是實施“公共氣象、安全氣象、資源氣象”戰(zhàn)略思想的重要方面。

內(nèi)容概要

本書為國家“十五”科技攻關(guān)重點項目研究成果。全書詳細敘述了數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計方案及其在實際數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)與研究中的應(yīng)用，內(nèi)容包括資料變分同化系統(tǒng)、一體化模式動力框架、模式的物理過程、模式的并行計算的科學(xué)方案，以及所建立的區(qū)域中尺度與全球預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和在國家級與區(qū)域級業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報中心運行的結(jié)果，并將本系統(tǒng)移植與運行中的關(guān)鍵技術(shù)問題作為本書的附錄，供系統(tǒng)應(yīng)用者參考。    本書主要讀者對象為在地球科學(xué)領(lǐng)域從事天氣、氣候、海洋等數(shù)值模式、資料同化與數(shù)值模擬研究的科學(xué)工作者，氣象業(yè)務(wù)部門從事天氣預(yù)報業(yè)務(wù)與技術(shù)開發(fā)的科技人員，計算機科學(xué)領(lǐng)域從事并行運算方法研究與技術(shù)開發(fā)的科技人員，以及高等院校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的教師與研究生。

書籍目錄

序前言第1章 GRAPES資料變分同化系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計與試驗  1.1 引言  1.2 三維變分同化系統(tǒng)框架的理論設(shè)計與理想試驗  1.3 同化系統(tǒng)中的觀測算子  1.4 背景誤差的統(tǒng)計與模型  1.5 非靜力模式變量同化  1.6 同化-預(yù)報循環(huán)方案的設(shè)計  1.7 臺風(fēng)相關(guān)的特殊技術(shù)問題  1.8 三維變分初步試驗結(jié)果分析  1.9 四維變分同化系統(tǒng)的發(fā)展與試驗  1.10 小結(jié)  參考文獻  本章附錄 全球三維變分譜濾波算子的向量和矩陣表示第2章 GRAPES模式動力框架理論設(shè)計與試驗  2.1 引言  2.2 基本方程組  2.3 時間離散方案  2.4 空間離散方案  2.5 離散化的模式方程組  2.6 邊界條件的設(shè)置  2.7 有限區(qū)域模式的理想場試驗  參考文獻  本章附錄 赫姆霍茲方程的GCR解法第3章 模式的物理過程  3.1 引言  3.2 云和降水過程  3.3 輻射過程  3.4 邊界層過程  3.5 陸面過程  3.6 地形重力波  3.7 物理過程程序結(jié)構(gòu)設(shè)計及相互關(guān)系  3.8 物理過程的優(yōu)選試驗  3.9 本章小結(jié)  參考文獻第4章 軟件體系結(jié)構(gòu)和并行處理  4.1 引言  4.2 軟件體系結(jié)構(gòu)  4.3 程序模塊化編程規(guī)范  4.4 模式并行處理  參考文獻第5章 中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES_Meso  5.1 GRAPES_Meso系統(tǒng)構(gòu)成  5.2 GRAPES_Meso實際資料試驗  5.3 結(jié)束語  參考文獻第6章 全球數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES-Global  6.1 引言  6.2 全球資料同化系統(tǒng)及試驗  6.3 GRAPES全球動力模式框架與理想試驗  6.4 GRAPES全球模式試驗系統(tǒng)  6.5 總結(jié)與討論  參考文獻第7章 基于GRAPES的數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)  7.1 引言  7.2 中國區(qū)域降水預(yù)報系統(tǒng)  7.3 臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES_TCM  7.4 華南／熱帶氣象數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES_TMM  7.5 業(yè)務(wù)運行小結(jié)  7.6 在其他方面的應(yīng)用第8章 總結(jié)與展望  8.1 GRAPES系統(tǒng)梗概  8.2 GRAPES反映了我國數(shù)值預(yù)報科學(xué)水平的提高  8.3 GRAPES的進一步發(fā)展  8.4 數(shù)值預(yù)報未來發(fā)展展望附錄  附錄A GRAPES使用指南  附錄B GRAPES 3 維變分程序結(jié)構(gòu)  附錄C GRAPES模式程序結(jié)構(gòu)  附錄D GRAPES的解釋應(yīng)用  附錄E GRAPES結(jié)果到MICAPS的轉(zhuǎn)換程序

章節(jié)摘錄

　　第1章　GRAPES資料變分同化系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計與試驗　　1.1　引言　　數(shù)值預(yù)報是數(shù)學(xué)物理中的一個典型的初值問題，模式積分的初值是根據(jù)初始時刻的氣象觀測資料通過特定的資料同化方案而形成的，因此資料同化在數(shù)值預(yù)報中占有特殊重要的地位。我國數(shù)值預(yù)報長期面臨大片地區(qū)資料空缺，這是我國數(shù)值預(yù)報精度偏低的主要原因之一。國際上這一困難在近十年中因大量衛(wèi)星遙感資料在數(shù)值預(yù)報中的定量應(yīng)用而基本得以克服。全球與區(qū)域同化預(yù)報系統(tǒng)（global／regional assimilation and prediction system，GRAPES）的資料同化部分的主要發(fā)展目標(biāo)就是通過建立對衛(wèi)星觀測資料的同化能力，提高我國數(shù)值預(yù)報初值質(zhì)量。而衛(wèi)星遙感資料在數(shù)值預(yù)報中的定量應(yīng)用，不僅依賴于遙感技術(shù)的發(fā)展，也與20世紀90年代起資料變分同化技術(shù)的應(yīng)用有密切關(guān)系。這一新的同化方法使與大氣模式的基本狀態(tài)變量呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系的遙感觀測資料，如衛(wèi)星上獲取的大氣放射的不同頻率的輻射強度數(shù)據(jù)的直接同化成為可能。發(fā)展GRAPES資料同化系統(tǒng)可以有不同的技術(shù)選擇，但由于解決遙感資料的同化是發(fā)展新的同化與預(yù)報系統(tǒng)的最重要的目標(biāo)之一，因此GRAPES的新同化系統(tǒng)采用變分方案。本章1.2節(jié)給出三維變分同化系統(tǒng)（GRAPES 3D—Var）框架的理論設(shè)計與理想試驗的結(jié)果；1.3節(jié)給出變分同化系統(tǒng)中各類觀測算子，重點是衛(wèi)星觀測的大氣輻射率的同化；1.4節(jié)是關(guān)于背景場誤差的統(tǒng)計與模型；1.5節(jié)是在非靜力模式同化中一些特殊問題的解決方案，這是由于GRAPES預(yù)報模式是非靜力而產(chǎn)生的；1.6節(jié)是同化一預(yù)報循環(huán)方案的設(shè)計；1.7節(jié)是與臺風(fēng)相關(guān)的特殊技術(shù)問題；1.8節(jié)是試驗實例的分析；在1.9節(jié)討論三維變分同化系統(tǒng)向四維變分同化系統(tǒng)（GRAPES 4D—Var）的擴展。這部分工作的技術(shù)開發(fā)已經(jīng)基本完成，但由于本書的內(nèi)容都是針對目前的已經(jīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的系統(tǒng)，所以只在本章其他內(nèi)容的后面作簡單的討論。最后，在1.10節(jié)對目前存在的問題與進一步的工作做了簡要的討論。

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