計劃項目2001BA607B

1、“十五”國家重點科技攻關(guān)計劃項目（2001BA607B）中國氣象數(shù)值預報技術(shù)創(chuàng)新研究項 目 簡 訊2002年第02期 總第02期項目辦公室 二二年五月十四日研究動態(tài) “十五”國家科技攻關(guān)計劃“中國氣象數(shù)值預報技術(shù)創(chuàng)新研究”項目第一階段成果推廣會在武漢召開國家十五科技攻關(guān)項目中國氣象數(shù)值預報系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新研究第一階段成果推廣會于2002年3月30日在武漢氣象區(qū)域中心召開。來自中國氣象局氣象科學研究院、國家氣象中心、國家衛(wèi)星氣象中心、香港天文臺、蘭州大學、各區(qū)域氣象中心（武漢、廣州、沈陽、蘭州、成都、上海）以及北京市和云南省氣象局等單位的代表共40多人參加了會議。 會議由項目負責人中國氣象科學研究院

2、薛紀善副院長主持。湖北省氣象局局長朱正義發(fā)表了熱情洋溢的講話，并對項目課題組的研究進展及推廣速度給予了高度贊揚，同時也提出了地方臺站期盼數(shù)值預報研究成果推廣和服務于業(yè)務天氣預報的迫切需求。會議向全國氣象部門推廣了國家十五科技攻關(guān)項目中國氣象數(shù)值預報系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新研究01課題大氣觀測資料的四維變分同化系統(tǒng)的第一階段成果，發(fā)布大氣觀測資料三維變分同化軟件系統(tǒng)的第一版本。該課題開發(fā)研究人員莊世宇博士報告了GRAPES（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）三維變分同化系統(tǒng)，介紹了其原理與方案設計和基本特征，著重展

3、示了系統(tǒng)源程序的模塊化文件組織結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的程序流程結(jié)構(gòu)、和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。課題開發(fā)研究人員張華、朱國富博士對該系統(tǒng)做了一些具體細節(jié)的說明。該報告不僅給出了系統(tǒng)的源程序，而且有助于對它進行較系統(tǒng)的、全貌性的解讀。會上還專門復制了10多份該系統(tǒng)軟件，分發(fā)給各大區(qū)域氣象中心和其他與會人員。薛紀善副院長在會上還特別指出，這次推廣會的目的不在于推廣成果本身；目前的版本也許還不是很成熟，主要是想讓大家拿去試用、檢驗，發(fā)現(xiàn)問題，及時不斷地把問題反饋上來，以便進行進一步的改進，使之更成熟、更合理，并在將來不斷推出新的、更趨完善的版本。與會人員還就該系統(tǒng)的安裝使用等問題進行了熱烈的討論。此外該項目04課題數(shù)值預

4、報支持系統(tǒng)負責人金之雁研究員對系統(tǒng)的編程標準做了具體介紹。 （朱國富 陳賢）項目01課題第5專題召開研討會討論雷達資料同化問題3月29日，項目01課題第5專題在武漢召開了雷達資料同化研討會，討論了雷達降水資料、風場資料同化的研究進展、應用、實施等問題，制定了有關(guān)雷達降水資料及風場資料同化的研究內(nèi)容、實施方案。01-05專題組長崔春光匯報了“降水資料變分同化技術(shù)研究進展”，副組長萬齊林、李永平分別做了題為“多普勒雷達風場資料與熱帶變分同化分析”和“WSR-88D多普勒天氣雷達同化研究及業(yè)務試驗”的報告，就多普勒雷達降水資料、風場資料在中尺度模式預報系統(tǒng)中的同化應用問題、國內(nèi)外研究進展及下一步的實

5、施方案向與會代表做了詳細的介紹。香港天文臺的李炳華科學主任介紹了目前香港多普勒天氣雷達在業(yè)務和科研上的應用與研究開發(fā)情況。由于目前雷達資料的應用和同化問題還處于探索階段，會上大家討論熱烈，蘭州大學邱崇踐教授和中國氣象科學研究院張沛源研究員發(fā)表了許多有價值的見解。會議明確了該專題的近期工作目標：根據(jù)課題的要求， 05專題“多普勒雷達資料在3D-Var/4D-Var系統(tǒng)中的同化研究”由武漢暴雨研究所、廣州熱帶海洋研究所、上海臺風研究所來共同承擔。本次會議的主要議題是三大區(qū)域中心的成員將已有的工作基礎做一個總結(jié)，調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)工作的進展，確定研究內(nèi)容，制定實施方案。 （陳賢）階段成果一、資料同化系統(tǒng)

6、完成了第一個資料同化系統(tǒng)的科學設計,計算程序編制與調(diào)試,理想情況試驗，實際資料的個例試驗，并完成了科學文檔。已在廣州熱帶與海洋氣象科研所進行連續(xù)準業(yè)務試驗，并對國家氣象中心業(yè)務試驗作了安排。正式發(fā)布了大氣觀測資料三維變分同化軟件系統(tǒng)的第一版本。國家氣象中心、國家衛(wèi)星氣象中心、香港天文臺、蘭州大學、各區(qū)域氣象中心（武漢、廣州、沈陽、蘭州、成都、上海）以及北京市和云南省氣象局等單位的科研人員對此系統(tǒng)表示了極大的興趣，一部分單位準備立即對同化系統(tǒng)進行試驗運行。制定了NOAA衛(wèi)星ATOVS資料的同化分析方案；衛(wèi)星輻射觀測資料的直接同化程序已基本完成。成功地實現(xiàn)了歐洲中心RTTOV6快速輻射傳輸正演模式

7、、切線性模式、伴隨模式與三維變分同化系統(tǒng)的聯(lián)接，并通過正確性檢驗；對NOAA衛(wèi)星ATOVS/AMSU資料的理想試驗分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)能反映微波資料對溫度場和水汽場的影響，結(jié)果合理。模式框架在廣泛調(diào)研主要國家最新發(fā)展的業(yè)務模式的基礎上,根據(jù)我國業(yè)務發(fā)展的需求,兼顧到長遠向氣候系統(tǒng)模式擴展的需要,完成了多尺度通用大氣動力模式框架的科學設計與全部程序編制,進入程序調(diào)試與試驗階段。這是我國第一個按現(xiàn)代模塊化的思路與標準以及高性能計算機的要求設計的數(shù)值預報模式,也是迄今為止我國自行設計的結(jié)構(gòu)最復雜的大氣模式動力框架。模式開發(fā)組的全體同志，在研究中心其它開發(fā)組的幫助下，經(jīng)過不到一年時間的艱苦努力，團結(jié)拼

8、搏，完成了中國氣象局新一代數(shù)值預報模式（GRAPES模式，Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）方案的科學設計與200多頁的新一代數(shù)值預報模式技術(shù)手冊的撰寫，完成了模式程序結(jié)構(gòu)的設計與計算機程序的編寫。特別是春節(jié)過后，同志們加倍努力，終于在2002年4月下旬，多達4萬余行的新一代數(shù)值預報模式計算機程序連續(xù)運行了20多個小時。這是該模式程序首次調(diào)試成功。雖然，新一代數(shù)值預報模式離業(yè)務應用仍有很大的一段距離要走，但這畢竟是我們?nèi)f里長征的一個重要里程碑！模式物理過程經(jīng)過廣泛調(diào)研世界先進國家最新發(fā)展的業(yè)務模式的物

9、理過程方案,根據(jù)我國業(yè)務模式發(fā)展的需求, 對適用于中尺度預報的物理參數(shù)化方案進行優(yōu)選和優(yōu)化，分別選定“WRF ”模式的一整套物理過程參數(shù)化方案作為中國“GRAPES”系統(tǒng)中的中尺度模式物理過程參數(shù)化的“basic option”，T213L31模式的一整套物理過程參數(shù)化方案作為中國“GRAPES”系統(tǒng)中的中期預報模式物理過程參數(shù)化的基本選擇。借鑒WRF與其他最新模式的物理過程程序包，確定Betts-Miller和Kain and Fritsch對流參數(shù)化方案以及Kessler，Lin和NCEP簡單冰相三種云微物理方案作為首批研制的程序包。開始積云對流參數(shù)化物理過程軟件包的編程工作，收集了部分積

10、云對流參數(shù)化過程所需的氣候場和參數(shù)資料，并利用國外先進模式對我國重大災害性降水天氣過程進行模擬試驗。開發(fā)研究了WRF模式物理過程參數(shù)化中的長波輻射方案，短波輻射方案。初步建立了插拔式和模塊化程序。對短波Simple和Goddard方案的f90模塊進行了柱模式運行, 并與以前的Fortran 77運行的結(jié)果進行了比較。在陸面過程方面，仔細閱讀了WRF模式中sfclay, slab和mrf方案的相關(guān)程序，編寫了相關(guān)的技術(shù)手冊。為后面根據(jù)新的編程規(guī)則建立插拔式的模塊打好了基礎。為在新的模式預報中引進發(fā)展一個與中國國情相適合的陸面過程模式，引進SSIB模式，并根據(jù)新的編程規(guī)則，將其從Fortran77

11、轉(zhuǎn)成Fortran90，并將之模塊化。數(shù)值預報支持系統(tǒng) 通過參考歐洲主要發(fā)達國家的氣象部門制定的編程標準，European Standard For Writing and Documenting Exchangeable Fortran 90 Code、以及美國WRF計劃制定的編程標準WRF Coding Conventions-Draft，形成了中國氣象數(shù)值預報創(chuàng)新系統(tǒng)軟件編程標準1.6版。制定了在數(shù)值預報內(nèi)部采用的FORTRAN90的編程標準。建立一套程序轉(zhuǎn)換的輔助工具，已經(jīng)初步實現(xiàn)了從Fortran77的固定格式向Fortran90自由格式的自動轉(zhuǎn)換。避免了傳統(tǒng)的采用手工操作的程序移植

12、方式引起的開發(fā)轉(zhuǎn)換周期長、易出錯等缺點，為用戶的程序轉(zhuǎn)換提供了安全、快捷、方便、直觀的人機交互圖形界面工具。為了研制我國自己的模式系統(tǒng)的軟件框架，同時有利于于國際接軌，最大程度有利于吸收引進國外最先進技術(shù)，采用與國際先進模式向兼容的軟件框架結(jié)構(gòu)是必要的，該小組剖析了WRF模式的結(jié)構(gòu)和它的并行方法。提出了適合我們模式系統(tǒng)的軟件框架，該新模式程序按作用分成三層結(jié)構(gòu)。調(diào)用樹的最高層對應驅(qū)動層，最低層為模式層，中介層位于驅(qū)動層和模式層中間。驅(qū)動層負責初始化、I/O、建立和管理區(qū)域分解、并行、積分的高層控制。為了研制我國自己的模式系統(tǒng)的軟件框架，同時有利于于國際接軌，最大程度有利于吸收引進國外最先進技術(shù)

13、，采用與國際先進模式向兼容的軟件框架結(jié)構(gòu)是必要的，該小組剖析了WRF模式的結(jié)構(gòu)和它的并行方法。提出了適合我們模式系統(tǒng)的軟件框架，該新模式程序按作用分成三層結(jié)構(gòu)。調(diào)用樹的最高層對應驅(qū)動層，最低層為模式層，中介層位于驅(qū)動層和模式層中間。驅(qū)動層負責初始化、I/O、建立和管理區(qū)域分解、并行、積分的高層控制。年度目標2002年的總目標： “十五”攻關(guān)工作全面展開，集中百分之百的精力，突擊完成GRAPES系統(tǒng)的重點核心工作，建成一套簡單的GRAPES試驗系統(tǒng)，包括基本的資料預處理、資料分析、3D-VAR、絕熱動力模式、簡單物理過程、結(jié)果后處理、圖形圖像顯示等子系統(tǒng)。資料同化方面：與國家氣象中心業(yè)務模式（H

14、LAFS）對接進行連續(xù)同化預報試驗；加入更多類型常規(guī)觀測資料進行同化試驗。完成4D-Var框架設計的準備工作（調(diào)研）；ATOVS(AMSU)衛(wèi)星觀測輻射率直接同化試驗；雷達資料的同化初步研究。進一步改進3D-Var系統(tǒng)，推出版本2.0；靜止衛(wèi)星導出濕度場的同化試驗；開始設計4D-Var框架。動力模式方面：完成有限區(qū)域絕熱動力模式的理想場和一維、二維數(shù)值試驗，提供赫姆霍茲離散方程的串行計算軟件，完成切線性和伴隨模式的實施方案，初步完成變格距等面積網(wǎng)格構(gòu)造方案的編程。完成有限區(qū)域絕熱動力模式的三維數(shù)值試驗，提供第一版本的絕熱動力模式，調(diào)試全球絕熱動力模式，完成赫姆霍茲離散方程的并行計算軟件制作，調(diào)

15、試切線性和伴隨模式的技術(shù)方案，進行變格距等面積網(wǎng)格構(gòu)造方案的數(shù)值試驗。完善有限區(qū)域絕熱動力模式的數(shù)值試驗，調(diào)試通過全球絕熱動力模式，調(diào)試通過并提供切線性和伴隨模式的初始版本軟件，將變格距等面積網(wǎng)格構(gòu)造方案與全球絕熱動力模式連接進行數(shù)值試驗。物理過程方面：對所開發(fā)的物理過程模塊進行數(shù)值試驗，驗證其準確性，并與新的模式框架進行聯(lián)調(diào)試驗，不斷修改物理參數(shù)，以取得好的預報效果。同時收集各類物理參數(shù)化方案所需的氣候場和參數(shù)資料。建立包含WRF模式全部物理過程的標準化物理過程軟件包，并不斷對其進行改進。在對適用于全球中期數(shù)值預報的物理參數(shù)化方案進行優(yōu)選和優(yōu)化，重點研究開發(fā)ECMWF_T213的全部物理過程

16、，每一物理過程初步開發(fā)出一套方案的標準化模塊，同時收集各類物理參數(shù)化方案所需的氣候場和參數(shù)資料。支持系統(tǒng)方面：完成T213L31后處理資料轉(zhuǎn)換成模式初始資料的程序編制，完成主要地表物理場的生成；完成FORTRAN77的COMMON塊的分析程序編制。完成模式標準后處理常規(guī)物理場的處理與輸出，完成以圖形方式實現(xiàn)模式區(qū)域選擇、參數(shù)選擇、流程控制等程序的編制。完成模式輸出的圖形動畫顯示。完成FORTRAN77向FORTRAN90的自動轉(zhuǎn)換；以圖形化方式實現(xiàn)數(shù)值預報流程控制、參數(shù)選擇、作業(yè)控制。 （徐國強）項目管理課題分解及專題合同簽定情況表課題序號專題名稱專題承擔單位合同簽定情況名稱負責人01課題三維

17、變分同化框架的建立氣科院莊世宇四維變分同化框架的建立氣科院朱國富極軌衛(wèi)星資料（ATOVS）的同化氣科院張華、吳雪寶靜止衛(wèi)星資料（導出產(chǎn)品）的同化衛(wèi)星中心許健民雷達資料的同化試驗上海李永平02課題多尺度通用半拉格朗日動力模式系統(tǒng)的研制及應用氣科院陳德輝、楊學勝非靜力歐拉動力模式框架的研究大氣所鐘青數(shù)值預報模式的診斷與檢驗方案研究開發(fā)氣科院楊學勝、閆之輝異模式的匹配、嵌套技術(shù)的研究開發(fā)氣科院張紅亮、胡江林多尺度通用模式并行計算技術(shù)研究氣科院金之雁、伍湘君半隱式半拉格朗日模式算法的研究國防科技大學宋君強等面積網(wǎng)格構(gòu)造及守恒性研究大氣所王斌03課題云微物理和積云對流參數(shù)化方案及其伴隨模塊開發(fā)研究氣科院徐國強長波和短波輻射方案及其伴隨模塊開發(fā)研究氣科院沈元芳邊界層過程方案及其伴隨模塊開發(fā)研究大氣所宇如聰次網(wǎng)格地形和湍流擴散參數(shù)化及其伴隨模塊開發(fā)研究南京大學氣象系張耀存陸面過程方案及其伴隨