了得網自然科學_數值預報繫統GRAPES的科學設計與應用

內容簡介

本書為國家“十五”科技攻關重點項目研究成果。全書詳細敘述了數值天氣預報繫統的科學設計方案及其在實際數值預報業務與研究中的應用，內容包括資料變分同化繫統、一體化模式動力框架、模式的物理過程、模式的並行計算的科學方案，以及所建立的區域中尺度與全球預報繫統的結構和在*與區域級業務數值預報中心運行的結果，並將本繫統移植與運行中的關鍵技術問題作為本書的附錄，供繫統應用者參考。
本書主要讀者對像為在地球科學領域從事天氣、氣候、海洋等數值模式、資料同化與數值模擬研究的科學工作者，氣像業務部門從事天氣預報業務與技術開發的科技人員，計算機科學領域從事並行運算方法研究與技術開發的科技人員，以及高等院校相關學科領域的教師與研究生。

序
前言
第1章 GRAPES資料變分同化繫統的科學設計與試驗
1.1 引言
1.2 三維變分同化繫統框架的理論設計與理想試驗
1.3 同化繫統中的觀測算子
1.4 背景誤差的統計與模型
1.5 非靜力模式變量同化
1.6 同化-預報循環方案的設計
1.7 臺風相關的特殊技術問題
1.8 三維變分初步試驗結果分析
1.9 四維變分同化繫統的發展與試驗
1.10 小結
參考文獻序
前言
第1章 GRAPES資料變分同化繫統的科學設計與試驗
1.1 引言
1.2 三維變分同化繫統框架的理論設計與理想試驗
1.3 同化繫統中的觀測算子
1.4 背景誤差的統計與模型
1.5 非靜力模式變量同化
1.6 同化-預報循環方案的設計
1.7 臺風相關的特殊技術問題
1.8 三維變分初步試驗結果分析
1.9 四維變分同化繫統的發展與試驗
1.10 小結
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 邊界條件的設置
2.7 有限區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 雲和降水過程
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 物理過程程序結構設計及相互關繫
3.8 物理過程的優選試驗
3.9 本章小結
參考文獻
第4章軟件體繫結構和並行處理
4.1 引言
4.2 軟件體繫結構
4.3 程序模塊化編程規範
4.4 模式並行處理
參考文獻
第5章中尺度數值預報繫統GRAPES_Meso
5.1 GRAPES_Meso繫統構成
5.2 GRAPES_Meso實際資料試驗
5.3 結束語
參考文獻
第6章全球數值預報繫統GRAPES-Global
6.1 引言
6.2 全球資料同化繫統及試驗
6.3 GRAPES全球動力模式框架與理想試驗
6.4 GRAPES全球模式試驗繫統
6.5 總結與討論
參考文獻
第7章基於GRAPES的數值預報業務
7.1 引言
7.2 中國區域降水預報繫統
7.3 臺風數值預報繫統GRAPES_TCM
7.4 華南／熱帶氣像數值預報繫統GRAPES_TMM
7.5 業務運行小結
7.6 在其他方面的應用
第8章總結與展望
8.1 GRAPES繫統梗概
8.2 GRAPES反映了我國數值預報科學水平的提高
8.3 GRAPES的進一步發展
8.4 數值預報未來發展展望
附錄
附錄A GRAPES使用指南
附錄B GRAPES 3 維變分程序結構
附錄C GRAPES模式程序結構
附錄D GRAPES的解釋應用
附錄E GRAPES結果到MICAPS的轉換程序

在線試讀

第1章 GRAPES資料變分同化繫統的科學設計與試驗
1.1 引言
數值預報是數學物理中的一個典型的初值問題，模式積分的初值是根據初始時刻的氣像觀測資料通過特定的資料同化方案而形成的，因此資料同化在數值預報中占有特殊重要的地位。我國數值預報長期面臨大片地區資料空缺，這是我國數值預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星遙感資料在數值預報中的定量應用而基本得以克服。全球與區域同化預報繫統（global／regional assimilation and prediction system，GRAPES）的資料同化部分的主要發展目標就是通過建立對衛星觀測資料的同化能力，提高我國數值預報初值質量。而衛星遙感資料在數值預報中的定量應用，不僅依賴於遙感技術的發展，也與20世紀90年代起資料變分同化技術的應用有密切關繫。這一新的同化方法使與大氣模式的基本狀態變量呈現復雜的非線性關繫的遙感觀測資料，如衛星上獲取的大氣放射的不同頻率的輻射強度數據的直接同化成為可能。發展GRAPES資料同化繫統可以有不同的技術選擇，但由於解決遙感資料的同化是發展新的同化與預報繫統的重要的目標之一，因此GRAPES的新同化繫統采用變分方案。本章1.2節給出三維變分同化繫統（GRAPES 3D—Var）框架的理論設計與理想試驗的結果；1.3節給出變分同化繫統中各類觀測算子，重點是衛星觀測的大氣輻射率的同化；1.4節是關於背景場誤差的統計與模型；1.5節是在非靜力模式同化中一些特殊問題的解決方案，這是由於GRAPES預報模式是非靜力而產生的；1.6節是同化一預報循環方案的設計；1.7節是與臺風相關的特殊技術問題；1.8節是試驗實例的分析；在1.9節討論三維變分同化繫統向四維變分同化繫統（GRAPES 4D—Var）的擴展。這部分工作的技術開發已經基本完成，但由於本書的內容都是針對目前的已經業務應用的繫統，所以隻在本章其他內容的後面作簡單的討論。後，在1.10節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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