全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的使用及其數(shù)值模擬解讀

1、全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的使用及其數(shù)值模擬陳建萍330046）摘要：介紹了中國(guó)氣象科學(xué)研究院數(shù)值預(yù)報(bào)中心自主開(kāi)發(fā)的GRAPESV2.1數(shù)值模式運(yùn)行步驟，并利用該模式對(duì)2005年5月1日0607時(shí)在江西南昌市區(qū)出現(xiàn)的30mm/h強(qiáng)降水過(guò)程，進(jìn)行了數(shù)值模擬和診斷分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，北方干冷空氣南下，到達(dá)30°N附近后，與南方暖濕空氣在南昌市區(qū)上空低層形成交匯，促使暖濕空氣沿著鋒面迅速抬升凝結(jié)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，是造成南昌強(qiáng)降水產(chǎn)生的主要原因；GRAPES1式能很好地模擬出高低空環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)特征和主要天氣系統(tǒng)，能提供較準(zhǔn)確的高分辨率診斷分析資料。關(guān)鍵詞：GRAPES1式強(qiáng)降水?dāng)?shù)值模擬診斷分析中圖

2、分類號(hào)：P456.7；P458.1+21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-9033（2005）02-00023-041 GRAPESV2.1簡(jiǎn)介及模式運(yùn)行1.1 模式簡(jiǎn)介GRAPE（SGlobal/RegionalAssimilationandPredictionSystem）全球區(qū)域同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是中國(guó)氣象局負(fù)責(zé)研究開(kāi)發(fā)的、研究與業(yè)務(wù)通用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。GRAPE系統(tǒng)是集常規(guī)與非常規(guī)變分同化、靜力平衡與非靜力平衡、全球與區(qū)域模式、科研與業(yè)務(wù)應(yīng)用、串行與并行計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化程序、理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)際預(yù)報(bào)等為一體，中小尺度與大尺度通用的先進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。1.2 GRAPESV2.1模式的運(yùn)行使

3、用2005年4月29日20時(shí)的T213資料，以及2005年4月30日08時(shí)的探空資料，對(duì)2005年4月30日08時(shí)5月1日08時(shí)的暴雨過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。1.2.1 資料準(zhǔn)備2005年4月29日20時(shí)的T213資料（BJ*）放在grapes/data/9210_t213目錄下，2005年4月30日08時(shí)的探空資料（*.ABJ）則放在grapes/data/9210_obs目錄下。1.2.2 探空資料預(yù)處理進(jìn)入grapes/grapes_3dv/preproc/9210_obs_proc/datatran，使用命令pgf90-optrans0.exeptrans0.for和pgf90-optran

4、stp.exeptranstp.for分別編譯當(dāng)前目錄下的ptrans0.for和ptranstp.for；成功編譯后，將在當(dāng)前目錄下分別生成ptrans0.exe和ptranstp.exe文件。然后使用命令catgrapes/data/9210_obs/*.ABJ>fn.dat把ABJ文件連接成1個(gè)文件，執(zhí)行后當(dāng)前路徑下會(huì)生成fn.dat。再在當(dāng)前目錄下把wsdat.dat的時(shí)間修改為05042300。最后分別執(zhí)行ptrans0.exe和ptranstp.exe，將在grapes/grapes_3dv/data/input/GTS目錄下生成TEM收件。1.2.3 T213資料預(yù)處理首先

5、進(jìn)入grapes/9210_t213_proc目錄，使用命令：9210_t213_proc.sh200504291248grapes/data/9210_t213/grapes/T213_DATA/,對(duì)T213原始報(bào)文資料進(jìn)行解碼。執(zhí)行后將在grapes/T213_DATA目錄下自動(dòng)生成2005042912目錄，并在該目錄下生成T2132005042912、T2132005042918,T2132005050112等9個(gè)文件。然后進(jìn)入grapes/grapes_3dv/preproc/9210_t213_proc目錄，修改namelist.t213中解碼后T213資料的路徑，即把record4

6、中T213_file的路徑修改為grapes/T213_DATA/2005042212/T2132005042300。最后運(yùn)行make編譯當(dāng)前目錄下的文件，成功編譯后將生成t213proc.exe文件；執(zhí)行t213proc.exe后，將在grapes/grapes_3dv/data/input/backgrd目錄下生成以xb.dat命名的背景場(chǎng)。1.2.4 分析系統(tǒng)編譯連接及運(yùn)行進(jìn)入grapes/grapes_3dv/3dv/rundir，運(yùn)行make_script腳本文件，編譯整套分析系統(tǒng)，成功編譯后有可執(zhí)行文件Grapes3dvar.exe生成。運(yùn)行時(shí)首先要編輯當(dāng)前目錄下的namelist

7、.3dvar,修改record3中的ANALYSIS_DATE='2005043000；以及record14中的file_dxa_binary='././data/output/dxa2005043000.dat'和file_xa_binary='././data/output/xa2005043000.dat'。然后，根據(jù)需要指定分析的區(qū)域、分辨率、日期等參數(shù)，直接運(yùn)行Grapes3dvar.exe。成功運(yùn)行后，在grapes/grapes_3dv/data/output目錄下有形如dxa2005043000.dat和xa2005043000.dat的

8、分析場(chǎng)生成。1.2.5主模式運(yùn)行進(jìn)入grapes/grapes_model_v2.1/run目錄，把解碼后的t213資料鏈接到當(dāng)前目錄的T213下，即ln-sgrapes/T213_DATA/2005042912/T213*./T213。然后返回grapes/grapes_model_v2.0目錄，使用compilegrapes命令運(yùn)行compile腳本文件，編譯安裝整套模式系統(tǒng)。成功編譯后，在grapes/grapes_model_v2.0/run目錄下，有2個(gè)可執(zhí)行文件(si.exe和grapes.exe)生成。再把grapes/grapes_3dv/data/output/xa20050

9、43000.dat的背景場(chǎng)資料拷到當(dāng)前目錄下，并把文件名修改為xa.dat。最后在當(dāng)前目錄grapes/grapes_model_v2.0/run/下使用go.go.9210命令提交作業(yè)，即go.go.9210、積分步長(zhǎng)、步數(shù)、多少次輸出1次、起始年、起始月、起始日、起始時(shí)、終止年、終止月、終止日、終止時(shí)、do_static_data=true或false、模式起報(bào)時(shí)間。文中的個(gè)例模擬是使用命令：go.go.9210600144420050430002005050100“.true.”2005043000來(lái)進(jìn)行的。2個(gè)例分析2.1天氣實(shí)況受地面弱冷空氣南下和低層切變影響，2005年4月30日1

10、4時(shí)5月1日08時(shí)，江西北部普降中到大雷陣雨，有16個(gè)縣市遭受短時(shí)雷雨大風(fēng)、強(qiáng)降水和冰雹天氣襲擊，有3個(gè)縣市出現(xiàn)暴雨。其中南昌市區(qū)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)到南昌市區(qū)（28.6°N、115.9°E）5月1日0607時(shí)出現(xiàn)了30m“h的強(qiáng)降水天氣。2.2模擬結(jié)果的診斷分析2.2.1地面形勢(shì)分析從海平面氣壓場(chǎng)和地面流場(chǎng)分布圖的演變可以看出，4月30日14時(shí)地面冷高壓主體位于45°N、105°E,中心氣壓值為1014hPa,鋒面呈NE-SW走向，到達(dá)河套南部一帶（圖略）。20時(shí)冷高壓中心南移到42°N、109°E,中心氣壓值增加到1020hPa,冷鋒前沿已

11、移到江淮地區(qū)（圖略）。到5月1日06時(shí)，冷高壓中心南移到40°N、110°E,中心氣壓值為1025hPa,冷鋒前沿正好到達(dá)30°N附近。此時(shí)南昌市區(qū)處于偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的風(fēng)速輻合區(qū)（圖1）。與實(shí)況地面天氣圖相比，GRAPES1式模擬出的冷空氣南下并逐漸加強(qiáng)的過(guò)程、地面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及冷鋒位置，與實(shí)況都十分接近。ICDE1湘10B£I12Ell«EHAEIfOE圖i5月1日06時(shí)海平面氣壓場(chǎng)和地面流場(chǎng)分布圖2.2.2 低層切變分析從850hPa等壓面流場(chǎng)和等風(fēng)速線分布圖的演變可以看出，4月30日14時(shí)華南地區(qū)已有西南急流形成，中心位于25°N

12、、110°E,中心最大風(fēng)速為16m/s（圖略）。30日20時(shí)，西南急流略有加強(qiáng)，中心最大風(fēng)速為18m/s,急流中心向東北方向移動(dòng)，中心位于26°N、112°E（圖略）。20時(shí)與08時(shí)的流場(chǎng)和等風(fēng)速線明顯不同的是，在北方（36°N、110°E）有另一偏北風(fēng)急流生成，急流中心最大風(fēng)速達(dá)24m/s（圖略）。到5月1日06時(shí)，西南急流中心位置沒(méi)有移動(dòng)，中心最大風(fēng)速繼續(xù)加強(qiáng)，為22m/s,而偏北風(fēng)急流中心明顯向南移動(dòng)，并到達(dá)32。N、110。E區(qū)域，風(fēng)向轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，急流中心最大風(fēng)速仍為24m/s,但范圍明顯增大（圖2）。此時(shí)南昌市區(qū)處于西南急流和東北急流

13、的交匯區(qū)。與實(shí)況相比，GRAPES1式能很好地模擬西南急流的維持，并能模擬出4月30日20時(shí)偏北風(fēng)急流的形成、南下及風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，但是模擬出的急流中心強(qiáng)度都偏大了很多（4月30日20時(shí)實(shí)況圖中西南急流強(qiáng)度為14m/s,偏北風(fēng)急流中心強(qiáng)度也只有16m/s）。另外，從5月1日06時(shí)沿115.9°E的水平風(fēng)速經(jīng)向分量（v）的垂直剖面圖可以看出，低層900hPa在35°N附近為20m/s的北風(fēng)中心，27°N附近為10m/s的南風(fēng)中心；南昌市區(qū)近地面的經(jīng)向風(fēng)速為零值，且零值線隨高度向北逐漸傾斜，一直伸展到40。N對(duì)流層頂（圖3）。這說(shuō)明西南急流帶來(lái)了強(qiáng)降水必須的水汽，當(dāng)冷鋒南

14、下時(shí)，造成動(dòng)力抬升作用，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，產(chǎn)生強(qiáng)降水。圖25月】日06時(shí)850liPn等壓面流場(chǎng)和等風(fēng)速線分布圖圖35月I日06時(shí)沿IQ.LE的水平風(fēng)速經(jīng)向分的垂直剖面圖2.2.3 850hPa散度場(chǎng)和渦度場(chǎng)分析從850hPa渦度場(chǎng)的演變可以看出，4月30日20時(shí)南昌上空散度還是零值區(qū)（圖略）。到5月1日06時(shí)，出現(xiàn)了-3X10-5s-1的輻合中心（圖4a）。從850hPa渦度場(chǎng)的演變可以看出，850hPa渦度場(chǎng)與散度場(chǎng)分布較吻合，4月30日20時(shí)南昌上空渦度也為零值區(qū)（圖略），至I5月1日06時(shí)，南昌上空出現(xiàn)15X10-5s-1的正渦度中心（圖4b）。中低層的輻合上升運(yùn)動(dòng)，使大量的暖濕空

15、氣得到抬升凝結(jié)，從而產(chǎn)生了十分有利的降水條件。2.2.4 垂直速度分析從低層925hPa垂直速度場(chǎng)的演變可以看出，4月30日14時(shí)和20時(shí)，南昌上空的垂直速度還是0m/s（圖略）。至I5月1日06時(shí)，出現(xiàn)了0.03m/s的上升運(yùn)動(dòng)中心（圖5）。從5月1日06時(shí)沿115.9°E的垂直速度垂直剖面圖也可以看出，南昌上空有2個(gè)0.05m/s的上升運(yùn)動(dòng)中心，分別位于850hPa和400hPa（圖6）。圖45月1日06時(shí)整口hPu漏度場(chǎng)”）與觸度場(chǎng)（b）E13,*,MC*3*MMX記iHRmW國(guó)圖55月！日餅時(shí)925h1垂直速度場(chǎng)圖65月1日06附沿115.9叱的垂直速度垂直副面圖2.2.5

16、水汽條件分析從850hPa水汽通量的演變可以看出，從4月30日14時(shí)、20時(shí)（圖略）至U5月1日06時(shí)（圖7）,江南地區(qū)一直維持14g-s-1-cm-1-hPa-1的水汽通量大值區(qū)。從5月1日06時(shí)沿115.9°E的水汽通量剖面垂直圖也可以看出，1000hPa500hPa,南昌都處于水汽通量正的輸送區(qū)，水汽通量最大值出現(xiàn)在低層1000hPa,為18gs-1cm-1hPa-1;水汽通量隨高度逐漸降低，至U500hPa水汽通量降低到2g-s-1cm-1hPa-1（圖8）。11«加1HIUK11S19K圖75月1日06時(shí)850hPa水汽通量圖85月1日06時(shí)沿115.9oE850

17、hPa水汽通量垂直剖面圖3結(jié)語(yǔ)(1)GRAPE援式能很好地模擬出高低空環(huán)流形勢(shì)和主要的影響天氣系統(tǒng)，并能提供較準(zhǔn)確的高分辨率診斷分析資料。(2)北方干冷空氣南下，到達(dá)30。N附近后，與南方暖濕空氣在南昌市區(qū)上空低層形成交匯，促使暖濕空氣沿著鋒面迅速抬升凝結(jié)，觸發(fā)不穩(wěn)定能量的釋放，造成南昌市區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降水天氣。(3)僅使用GRAPES1式輸出的基本量場(chǎng)對(duì)南昌市區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)降水進(jìn)行了診斷分析，至于此次強(qiáng)降水是否還存在其它的內(nèi)在因素，將在以后深入研究。參考文獻(xiàn)1宗志平，劉文明.2003年華北初雪的數(shù)值模擬和診斷分析J.氣象，2004，30（1）：38.ApplicationAndNumericSimu

18、lationOfGlobalRegionalAssimilationPredictionSystem(GRAPES)CHENJian-ping(EnvironmentForecastCenterofJiangxiProvince,Nanchang330046,China)Abstract:TherunningstepsaboutGRAPESV2.1developedbytheChineseacademyofmeteorologicalsciencesarepresented,andnumericsimulationanddiagnosticanalysisforaheavyprecipitat

19、ionprocess30mmperhourfrom06to07onMay21,2005inNanchanginJiangxiisimplemented.Theresultshowsasfollows:thedryandcoldaircomefromnorth,andconvergedwithwarmandwetairfromsouthinthelowlevelofupperairinNanchangcity,andurgedthewarmandwetairrisingandcoagulatingquickly,andresultedinthereleaseofunstableenergy,itwastheprimaryreasonfortheheaverainfallinNanchangcity.ThesimulationthatGRAPESmodecanbeverygoodproducestheheightcirculationsituationcharacteristiconceandmainweathersystem,canoffermoreaccuratehigh-r