日本中尺度业务数值预报的进展

2001年3月日本气象厅(Japan Meteorological Agency)安装了新的超级计算机系统(HITACHI-SR8000),具有80个节点,内存640GB,磁盘容量4.8TB运行峰值速度768Gflops,数据传输速率1.2GB/s,计算机资源的扩充为改善数值分析预报质量提供了条件,使第7代数值分析预报系统(7th Numerical Analysis Prediction System) 作为数值天气预报系统的子系统得以投入业务运行,目前NAPS中用以业务数值分析预报的模式有4个,另有用于改善周、和月预报的2个集合预报系统. 其中,除了全球谱模式外,其余3个均为用于预报中尺度天气系统的有限区域数值模式,其进展如下:1. 中尺度模式(Meso-Scale Model)是新发展的采用谱方法求解的静力模式,其预报区覆盖日本及其邻近海域(面积36002880km2),水平分辨率为10km,垂直方向分40层,MSM的预报初始场是经前3h运行处理获得,期间有最优插值分析和物理初值化(时间间隔1h)。主要用于日本本土范围内的短时天气预报,尤其是用于局部地区灾害性天气的预报/警报,如暴雨/暴风雪的预警.逐日业务运行MSM的频次远较常规运行的数值预报模式为高,即逐日运行4次,时间间隔为6h(起始时刻为0000、0006、0012、0018UTC), 预报时效仅为18h,预报作业在初始时刻后1.5h内完成.    为了提高降水量预报的准确率,日本气象厅下属的气象研究所(Meteorlogical Research Institute)与数值预报处(Numerical Prediction Division)于1999年2月开始联合研发供业务和研究应用的多用途统一模式(Unified Non-Hydrostatic Model) 对于原有半隐式时间积分方案(HI-VI)增加了时间分离显式积分方案(HE-VI)供选用;模式基本方程有滞弹性近似或正形映射两种完全可压缩方程供选择;含地图投影因子的模式可压缩方程中不存在诸如气压方程中略去非绝热项和按参考大气线性化等近似;模式的平流方案采用2阶(可选水平4阶)通量形式(以改进的中央差分表达);对流参数化采用湿对流调整方案;总体云微物理参数化包括冰相(水汽、云水、雨、云冰、雪和软雹)箱式-拉格朗日雨滴方案;扩散项采用4阶线性近似; 2.5阶Yamada-Meller湍流闭合方案(预报湍流动能,诊断混合长);图1给出NHM预报的个例(2002年3月29日06UTC起始的3h海平面气压、风矢场和3h累积降水量分布)。 图1  2002年3月29日18时(东京时)预报2. 区域谱模式(Regional Spectrum Model)的预报区域覆盖东亚及西北太平洋,较原来扩大了50%(面积为64805120km2),以降低侧边界的影响;水平分辨率为20km;垂直分层也由原来的30层增加到40层,主要是为提高大气对流层顶附近的描述能力;模式地形改用高分辨率全球地形资料集(GTOP030)的地形高度资料;分析间隔由原来的12h改为6h。RSM逐日业务运行2次,起始时刻为0000和0012UTC,用于作时效为51h的短期天气预报。3.台风模式(Typhoon Model)预报区域地理位置可变,其中央设在西北太平洋热带气旋中心位置,水平分辨率由原来的40km缩减为24km;垂直分层也由原来的15层增加到25层;业务运行次数也由原来的逐日2次增至4次;模式地形也采用了高分辨率的地形高度资料(GTOP030);TYM用于预报西北太平洋热带气旋的84h移动路径。     日本有限区域模式的水平分辨率均较高, 描述物理过程的计算方案也较以前的复杂(见表1). 预报产品除基于模式输出加工的各种形式天气图外,尚有规则网格的预报要素格点值(GPV) ,包括数值分析和预报资料. 这些产品不仅在日本气象厅内部应用,也供世界各国国家气象中心应用. 同时经由气象商务支持中心(Meteorological Business Support Center).分发给一般用户,包括天气公司和媒体。     MSM预报的小时降水量分布图,可以图形动态显示其在13h时效内的降水时空演变,其中,前7h为小时降水量分析场(30min为间隔),后6h为小时降水量预报场(60min为间隔).并具有较高的选择应用功能,如图形放大:可在地图上选择地区后动态显示等.下图为2004年4月29日1600UTC的日本小时降水分析。       上图为2004年4月29日1600UTC区域放大的小时降水分析   表1    日本气象厅有限域数值预报模式特点 模式名称 区域谱模式(RSM) 中尺度模式(MSM) 台风模式(TYM) 预报时效(小时) 51 h 18 h 84 h 初始时刻 00, 12 UTC 00, 06, 12, 18UTC 00, 06, 12, 18UTC 预报区域 东亚 & 西北太平洋 日本 西北太平洋内浮动 初值形成 3维最优插值(3D-OI) 最优插值OI分析+初值化   侧边界条件 全球谱模式GSM预报 区域谱模式(RSM)预报   地图投影 兰勃特 兰勃特 或麦卡托 水平格点数 325 x 257 361 x 289 271 x 271 网格距 ~20 km 10 km 24 km 垂直层次 40 25 大气层顶气压 10 hPa 17.5 hPa 辐射过程 太阳短波 (每小时) 红外长波 (每小时) 降水过程  Arakawa-Schubert方案 湿对流调整 大尺度凝结 边界层和 地面通量 2阶Mellor-Yamada 方案 非局地边界层 Monin-Obukhov 相似 2阶Mellor-Yamada Monin-Obukhov 相似 重力波拖曳 短波拖曳

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