美国国家环境预测中心海洋大气局(NCEP-NOAA)环境模式中心(EMC)中尺度数值分析预报系统的新进展 (二)

 美国NCEP的中尺度业务数值分析预报系统包括中尺度Eta模式,非静力NMM模式和快速滚动更新(Rapid Upgrad Cycle)分析预报系统(简称RUC),其产品各有特色. 有关Eta和NMM模式的进展已在<通讯>总1期刊出.现将RUC 的进展简介于后.       为改进RUC 的定量降水预报(QPF),尤其是对流降水,物理参数化(积云,显式云,陆面),垂直对流和地面预报, 首先,随着计算机性能的提高RUC的分辨率也得到相应的提高,即由原来的水平格距40km缩小为20km,垂直分层由原40层增为50 层.还作了以下改进.3. RUC分析预报系统3.1 修改日志        2003 年3月27 日 - 1200 UTC        前处理 - 分析技术的更新        3-维变分同化分析(3DVAR)代替原先的最优插值(OI)分析.       RUC 3DVAR分析 与OI分析和RUC 模式预报一样采用熵-σ混合坐标.        RUC 3D-VAR分析结果表明:(1)用测风核对显示,与RUC 最优插值(OI)分析相比, 3h和12h预报略有改进或水平大致相当, 比 RUC OI 分析更接近实况;(2) RUC 3DVAR 分析具有对间接观测,诸如径向风,卫星辐射和风速的同化能力;(3)其变量分析场与实况观测更接近,而且可避免OI分析产生的小尺度扰动(噪音);(4) 用3DVAR分析作的3h 和12h预报技巧水平与OI分析作的预报水平差异不大,仅对高层风的预报略有改进;RUC 3DVAR 分析得到的分析增量较平滑,可订正1h预报场,同时使短期预报场中小的扰动也较少出现.        后处理 产品的扩充        增加 0-1km 螺旋度和调整若干其它产品         2003年7月8 日 - 1900 UTC        修整缓冲数据文件(RUC BUFR files)以克服早期RUCA分析 (启动时间0000 和 1200 UTC)中大多数测风资料未收集应用引起的缺陷 ,现在缓冲数据(BURF data) 应用包括测风资料的修正RUCB分析方案,用该B方案得到的分析场作为RUC预报模式于0000/1200UTC启动的初始场;       缓冲站表的扩编( BUFR station )        缓冲站表中增加了少量测站,同时,也对Eta 模式的缓冲站表进行扩大;        2003年9 月 24 日 - 1500 UTC        对3D-VAR 初始化所作的一些修改投入使用:        对位于模式水域格点的地面观测站资料给以标记.       用模式对这种数据进行同化的个例中出现的问题表明,该例中Houghton, Michigan (位于 Keweenaw 半岛, 由上半岛延伸到Superior 湖)的资料是有用的.而RUC模式未能分辨出这个半岛,因此初估场中该处较观测值冷且干(与该区的水体不相符) . 因而分析产生正的增量(观测与初估值之差)并向内陆伸展,导致不合理的温度偏高,尤其是内陆的露点温度高于上半岛地区.这种位于模式水域格点的近30个地面站必须给以标记和处理.        第2个改变是:提高质量控制检验的标准,对一些引入分析的质量差的资料,特别是湿度观测资料,限制测值与初估值之差的容许幅度,这样将降低出现偏差的机会.        2003年10月6日 - 1300 UTC        后处理       修改诊断的最大风速层,以避免虚假和间断的最大风速值.有时从RUC的模式层用样条插值会得出相互很接近的外推值.这一处理和外加的一些其他约束条件可以使样条插值不超过模式层最大风速的3%.        2003年10月11日 - 0000 UTC        修改插值程序. 据此可将Eta模式格点变量值插到RUC模式垂直/水平格点上作为边界条件. 在一定的异常情况下,可能出现除零而导致计算机运算溢出,为避免这种可能性的出现,增加了一条程序代码.经测试,出现在10月10日1200UTC的运行故障可以避免.        上述修改是在美国国家海洋大气局/预报系统实验室(NOAA/FSL) 用2000年3月和2001年2月资料进行回顾性初步试验后, 于2002年11月至2003年1月(冷季)在NCEP进行了最后的实时平行测试,而暖季的回顾试验是用 2002年8月至9月初期间28天资料完成的.4. RUC地面同化系统(RUC Surface Assimilation System ,简称RSAS)       对于天气分析和预报而言,地面气象变量的格点场无疑是一种有效和基础的工具.据此的地面分析对识別中尺度系统特别有用,因为在地面资料的空间密度,完整性和时间分辨率等方面的缺陷,常规测站难以捕获中尺度系统的演变全貌. 4.1改进       RSAS应用地面资料时空分辨率进行逐时地面分析(2次/1h更新),即1h内多次运行使RSAS在整点初期(即整点后 5 min)进行第一次运行, 随后(整点后 21 min)对延误的观测资料再次纳入分析. RSAS 只是NCEP的资料同化系统,提供1h内输出格点资料的更新. RSAS其余的独特之处在于它还包括运行速率,磁盘空间的需求量最小以及分析格点场与观测很接近.作为地面分析系统, RSAS仅提供1层格点场分析,所以对计算机资源的需求也很小.此外,系统并不对预报模式初始化,分析不是在模式地形上,而是在实际地面上完成,因此无需进行由模式面到测站拔海高度的外插,所有地面观测都是有用的,使分析最大限度逼近观测值分布.        RSAS新版的区域和分辨率配置是系统中唯一的最大变化. RSAS原来提供格距为60km复盖48个相连的州及邻接加拿大和墨西哥的地区, 新分析区域提供15km 格距的网格区,范围自阿拉斯加北部到中美州南部,还复盖比原区域更大的海区.        由于粗糙地形使地面分析复杂化,RSAS 的分析变量是尽可能选择那些地形变化影响为最小的.因为当边界层相对深厚且混合较好时,在山区有地形处位温变化较气温变化平缓,因此在分析时以位温代替地面气温,在较重要的气压变量由各测站高度仪计算海平面气压。 4.2RSAS的分析格点场        海平面气压 (RSAS)        海平面气压 (NWS美国国家气象局 )        高度         位温         风         露点温度         温度-露点差         3h 变压        RSAS 导出的格点资料       由RSAS的位温和露点温度分析经常性地推导出地面气温,相当位温和比湿场. 需要用格点地形,.在RSAS新版中, 改进的格点高度与实际观测的海拔高度匹配得较好,使 RSAS 分析的格点气温与观测气温吻合得较好,尤其在山区更好..        综上可见,为使业务数值分析预报系统产品的质量不断提高, 美国同行不间断地从多方面对系统进行改进,完善和扩充,并以十分严谨的科学态度对待一切修改,必须经初试和最终的平行对比试验得出有效结论后才投入业务应用,这种工作方式很值得我们学习。

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