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江西省引进中尺度数值模式系统的技术分析
黎 健1，陈建萍2，单九生2
（1.江西省气象局，江西 南昌 330046；2.江西省环境预报中心，江西 南昌 330046）
摘 要：
首先分析了精细化预报、拓展服务领域和业务科研等方面的需求，认为江西应尽快引进中尺度数值模式，以进一步提高中尺度天气系统诊断分析和预报水平。然后对MM5模式、WRF模式、GRAPES模式和AREM模式的性能进行了分析，认为江西应首先选择MM5模式，并同时引进GRAPES和AREM模式，以充分适应不同的天气条件和合理利用计算机资源。最后阐述了在模式的引进过程中，应该组织人力、物力做好软、硬件的准备工作，合理优化科技资源配置，并从以下几个方面注重模式应用的本地化和业务化研究：模式初值、侧边界值的选定和同化技术开发，地形、地貌参数调整和物理过程的调试，产品输出技术、可视化运行监控系统和预报评估系统的开发，从而最高效地使用中尺度系统模式，及时为全省各级气象台站提供品种适用的数值预报产品。
关键词：中尺度 数值模式 系统
技术 分析
中图分类号：Ｐ456.7 文献标识码：B 文章编号：1007－9033（2004）04－0012－04
中尺度强对流系统具有突发性和多发性特点，且天气激烈，受灾面积广、危害大，是江西最严重的气象灾害之一。长期以来，中尺度系统的诊断分析与预报一直是天气预报中的难点，特别是在业务预报中，很难把握暴雨发生和持续的时间、落区以及降水强度。中尺度数值模式是目前进行中尺度天气系统诊断分析和预报的最有效的方法之一，因此在江西尽快引进中尺度数值模式是当务之急。
1 需求分析
目前，江西虽可获取欧洲中心、日本、T213等全球模式的产品，但大尺度数值模式很难勾画出中尺度的特征，难以满足预报和服务的实际需要。因此，在总结分析江西的天气演变特点和预报经验的基础上，有针对性地引进并开发适合江西地区的中尺度数值天气预报系统，可以满足以下几个方面的需求：
1.1 精细化预报需求
“三定”（定时、定点、定量）和无缝隙化预报是江西气象业务发展的主要方向。江西省气象台正在开展的精细化预报业务，需要依托有限区域数值模式和高性能计算机系统，才能真正提高天气预报的时空分辨率。
1.2 拓展服务领域的需求
随着拓展领域工作的深入，地质灾害、生态环境、云雾降水、环境评价、城市规划、污染物的扩散等方面的研究和应用，也需依托模式的建立。
1.3 业务与科研的需求
随着数值天气预报技术的发展和预报精确度的提高，现在的天气预报越来越离不开数值预报产品。特别是各省、市气象部门，都希望利用数值天气预报来提高预报的准确性和时效性。
2 几种中尺度数值模式系统的性能分析
2.1 MM5模式
MM5模式在我国运用较为广泛。上海、北京、湖南等地在几年前便开始了有关MM5方面的研究，并已逐步投入业务使用。MM5模式的主要特点有：系统灵活易变，且有多重嵌套功能；可用实时输入资料；采用张弛逼近方法的四维资料同化系统，并发展有伴随模式；有流体静力和非流体静力2种动力学框架；采用地形垂直坐标；有多种先进的物理参数化方案可供选择；
输出产品丰富。
2.2 WRF模式
WRF模式是在MM5模式上发展起来的，它是1个完全可压非静力模式。其控制方程组都写为通量形式。WRF的网格形式与MM5的Arakawa
B格点不同，而是采用Arakawa
C格点，以便在高分辨率模拟中提高准确性。模式的动力框架有3个不同的方案。前2个方案都采用时间分裂显示方案来解动力方程组。即模式中垂直高频波的求解采用隐式方案，其它的波动则采用显示方案。第三种模式框架方案是采用半隐式半拉格朗日方案来求解动力方程组。这种方案的优点是能采用比前2种模式框架方案更大的时间步长。目前，前2种方案都已经实现，而第三种方案还未发布。WRF模式的优点是除可做中小尺度天气预报外，还可做污染预报和地表径流预报。但是WRF模式版本较新，且模式本身还有许多国内尚未了解和解决的问题，如软硬件的兼容性问题等。
2.3 GRAPES模式
全球和区域分析预报系统（GRAPES）与WRF在软件结构上是一致的，都采用3层结构、全局地址等，但也有不同之处。具体为：在GRAPES的预报区域周围，有一圈用于半拉格朗日差值的区域，WRF模式则没有这个区域；GRAPES将w层的垂直层数定为kde+1，而WRF模式定为kde；GRAPES的部分程序将内存的上下标用于循环的上下边界，这将妨碍实现共享内存并行化；GRAPES的包含文件与WRF的命名方法不一致，以及注册处理程序不一致等等。GRAPES的主要特点是：解决了格点变量分离、背景误差、协方差处理等关键技术问题；设计和开发的系统程序计算正确，效率高，具有良好的可扩展性和可移植性。
2.4 AREM模式
中国科学院大气物理研究所的AREM模式，主要是针对长江中下游地区而设计的有限区域暴雨预报模式。该模式目前已经在长江中下游一些省级台得到应用，对强降水有较好的预报效果。AREM模式的主要特点是：（１）模式的动力框架采用了曾庆存先生设计的、唯一能构造出完全能量守恒时空差分格式的数学模型，模式具有很好的计算稳定性。（２）对复杂地形，采用了目前国际上最先进的计算方法和处理技巧，有效地解决了复杂地形所带来的计算问题，使得模式能较好地考虑真实地形的作用，如?浊坐标、静力扣除、协调性等。（３）对水汽平流方程设计了1个适合我国计算机条件的、简单而有效的保形正定平流差分方案，并解决了在E网格中的应用问题，避免了大多数模式中常出现的负水汽现象或平滑耗散过强现象，保证了模式对降水范围、降水强度和暴雨中心位置有更好的预报。（４）保留了初始场的静力平衡偏差。在静力平衡模式中，同时保留了位势高度和温度场的初值意义，而目前许多静力平衡模式基本上只考虑位势高度和温度之一的初值意义。（５）变量在网格上的分布形式采用了较合理的交错分布方法，并对重力波解在网格上的分离，设计了有效的计算方法。（６）模式考虑了影响短期天气演变的主要物理过程，设计思想以简单有效为宗旨。
从以上各种模式的性能和特性分析来看，MM5模式在我国已有较为成熟的应用，且模式的多种参数及物理化方案具有可选择的特点，有利于本地化研究工作的开展，因此江西应首先选择MM5模式，并且在引进MM5模式之后，同时引进GRAPES和AREM模式。这样既可以根据模式本身的特点，在不同的天气条件下选择不同的模式作为预报参考，又可以充分利用计算机资源。
3 技术与硬件的准备
模式的大规模计算，需要借助容量大、速度快的高性能计算机。目前，我国常用的模式计算服务器可以分为运行Unix系统的小型机服务器，和运行Windows
NT/2000及Linux系统的PC服务器。其中小型机服务器采用64位risc结构的处理器，因此具有性能稳定、运行能力强、安全性好等特点，但是其价格比较昂贵。而PC服务器在性能上虽然不及小型机，但采用Intel架构，价格非常低廉，只和普通PC机相当。随着近年来现代化技术的不断发展，PC服务器在性能上有了很大提高，在一定程度上可以代替小型机服务器。但是无论引进何种计算机服务器，都须先做好以下几个方面的准备工作：
（1）计算机应用能力的准备工作。熟悉Linux（PC集群机）或者Unix（小型机）操作系统，熟悉Fortran语言和C语言编程技术。
（2）气象知识的准备工作。了解国内外数值预报的研究现状，熟悉数值预报的基本理论和业务流程。
4 本地化的技术开发
4.1 模式初值、侧边界值的选定
中尺度模式的运行，需要预报区域大的模式作为背景场。作为引进模式的初边界条件，一方面可以选取T213模式结果作为背景场，另外可以从Internet上下载美国环境预报中心(NCEP)的AVN资料（该资料的获取需要一定的网络带宽）。由于下载美国的NCEP资料存在网络传输的问题，因此我省应使用T213资料，这样才能保证运算的正常进行。
4.2 同化技术
应该熟悉模式的外部资料输入接口，分析与模式主体接口文件的格式要求，编写资料输入的接口程序，从实时资料中读取探空、地面等常规资料。进行同化技术开发，首先对气象观测报文进行解码；然后对解码后的资料进行误差分析（分别采用水平一致性和垂直误差的检验），剔除错误和不合理的观测资料；最后将时间和空间方面分布不均匀的观测资料，用适当的方法求出时空分布均匀﹑规则网格点的数据。也就是说，将以上资料按客观分析要求整理排列，并作初步质量控制，同时读取国家气象中心全球谱模式（T213）预报产品，按照引进模式输入格式的要求，将T213资料输入模式，经插值转换到本系统网格点上，作初估场客观分析和供模式边界嵌套使用。
4.3 地形、地貌参数调整
模式本身所带的地形、地貌信息不能精确地反映我省的地理信息，因此首先应对我省的地形、地貌进行重新分类，并把这些特征加入到模式中去，以提高模式下边界的精确度。
4.4 物理过程的调试
模式中的物理过程有多种方案可供选择，因此应首先熟悉数值模式中的物理过程，并进行各种方案组合研究，以适合我省的天气特点。
4.5 产品输出技术
数值预报模式的预报量包括高度场、温度场、风场、湿度场和地面降水场，由这些预报量计算标准等压面上的物理量场（包括涡度、散度、垂直速度、涡度平流、K指数、水汽通量散度以及表征层结稳定度的参数），最后把以上信息通过可视化显示平台显示出来。可视化显示包括以下方案:
（1）Micaps 显示：为了便于模式产品与现有预报业务系统的结合，采用Micaps格式3、4在模式后处理部分，将产品在Micaps业务系统上显示，与现有业务体系衔接。
（2）Grads显示：利用Gradsv3.f 程序将模式输出结果处理成Grads显示的文件，再利用
Grads在Linux或Windows系统上显示。
（3）Vis5D显示：首先利用Tovis5d模块将模式输出结果生成Vis5D显示的系统文件，之后可以用Vis5D进行数据切片显示，还可以单步或动画逼真地显示不同气象要素的三维分布。
（４）网页产品：网页菜单可根据所选要素的名称、层次和预报时间调用相应的图形，并可叠加和撤消。
4.6 可视化运行监控系统
可视化运行监控系统可每天定时自动启动运行集合预报系统，从而为系统运行提供流程的可视化监测、控制，出错后的容错处理，从任何起点与T213业务系统无缝连接运行，查看机器资源和各子系统运行时间等功能。
4.7 预报评估系统
预报效果检验主要是对单站地面要素预报情况进行评估、检验，包括降水、气温、风速、风向、海平面气压和相对湿度。降水预报的检验主要是针对日降水预报，采用时间序列上的TS评分方法检验每一个测站的预报情况。气温、风速、风向、海平面气压和相对湿度等要素的检验可在有实测资料的时次进行，并逐日计算每个时次上的预报误差。
模式业务运行后，需不断积累资料，统计分析预报结果，研制统计释用方法，以进一步提高预报水平，特别是要提高单站要素预报能力，为我省各气象台站提供品种适宜的数值预报产品。
5 问题与思考
数值预报技术是一项多学科的协作研究项目，研究内容广泛，且模式的本地化和业务化研究是一项长期而艰巨的任务。如果只是为引进模式而引进模式，而不注重模式应用的本地化和业务化研究，模式将只能成为一种摆设，最终将造成资源的巨大浪费。因此，在引进模式的过程中，应该注意以下几个方面的工作：
（１）迅速组织一支相对稳定、努力刻苦、无私奉献、团结协作的研发队伍。该研发队伍应由3～4人组成，并立刻着手进行模式引进前的准备工作。准备工作包括：熟悉Linux（如果引进PC集群机）或者Unix（如果引进小型机）操作系统；熟悉Fortran语言和C语言编程技术；了解国内外数值预报研究现状；熟悉数值预报的基本理论和业务流程。如有可能，还应先对研发队伍成员进行培训，或者组织到外省观摩和学习。
（２）就我省目前的技术实力而言，还不能独立承担中尺度数值模式的开发和研究工作，因此模式引进后应加强与院校的合作与开发，为我省数值模式的正常运行提供可靠的技术保证。
（３）连续的经费支持。数值预报模式的研究和业务应用是一项长期的工作，模式本身的调试和模式的本地化、业务化不可能一朝一夕完成，因此，必须提供长期而连续的经费支持。
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收稿日期：2004年07月28日
改回时期：2004年08月23日
本文第一作者为江西省气象局副局长、高级工程师。 |
