數(shù)值課件天氣預(yù)報(bào)基礎(chǔ)_第1頁
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文檔簡介

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)基礎(chǔ)(朱禾制作)第一講現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展數(shù)值預(yù)報(bào)在現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)中的地位和作用氣象預(yù)報(bào)的四個(gè)方面問題當(dāng)前的天氣或氣候信息—完備的綜合觀測系統(tǒng)

完善的觀測系統(tǒng);資料信息識(shí)別;資料的綜合處理(同化)天氣或氣候的演變規(guī)律—從資料得到新認(rèn)識(shí)

從資料得到新認(rèn)識(shí);反映大氣運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)物理規(guī)律的微分方程組。外力和強(qiáng)迫的變化—地形和邊界強(qiáng)迫;太陽常數(shù);引力等從已知預(yù)報(bào)未來的手段—完備的數(shù)值模式;承載數(shù)值模式計(jì)算、顯示和通訊平臺(tái)駕馭觀測、資料分析和數(shù)值模式發(fā)展和應(yīng)用的人才隊(duì)伍氣象學(xué)的精髓是要掌握在地球系統(tǒng)多圈層相互作用影響下大氣的動(dòng)力、物理和化學(xué)的演變規(guī)律,依據(jù)已知的信息,預(yù)知大氣未來的演變過程和狀態(tài)。非線性多尺度多圈層相變(躍變)多種強(qiáng)迫和反饋動(dòng)力、物理和化學(xué)綜合人們預(yù)報(bào)天氣的實(shí)踐自古有之,數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是從上個(gè)世紀(jì)20年代才開始發(fā)展進(jìn)入實(shí)踐的一門新興天氣預(yù)報(bào)技術(shù)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NumericalWeatherPrediction):是通過用數(shù)值方法求解支配大氣運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程組,來預(yù)報(bào)未來的大氣環(huán)流形勢和天氣。特點(diǎn):數(shù)字化,定量客觀。數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展歷程數(shù)值預(yù)報(bào)的觀念始于1904年,挪威氣象學(xué)家,VilhelmBjerknes提出定量預(yù)報(bào)是一個(gè)數(shù)學(xué)初值問題。只要知道大氣的初始狀態(tài),便可以從求解一組描繪大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程組中得到未來天氣的演變。1922年Richardson將這一概念帶入實(shí)踐—現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的第一個(gè)里程碑。雖然,Richardson的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使人沮喪,以至其后20多年里數(shù)值預(yù)報(bào)無人問津,但現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展確實(shí)是按照Richardson當(dāng)年的思路在發(fā)展。他不僅確立了現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的基本觀念,也提出了解決這一問題的具體方法。

現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的基礎(chǔ):

1916-1918年,Richardson(英數(shù)學(xué)家)所作的實(shí)踐。并于1922出書總結(jié),預(yù)報(bào)結(jié)果是失敗的,且按當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件是不可能趕上預(yù)報(bào)實(shí)效的。 雖然他的實(shí)踐失敗了,但現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)與Richardson當(dāng)年的方案有著驚人的相似之處。因此,Richardson的實(shí)踐被認(rèn)為是——現(xiàn)代數(shù)值預(yù)報(bào)的第一個(gè)里程碑。大氣運(yùn)動(dòng)可以用一組代表大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)、熱力學(xué)方程組來表示。未來大氣的狀況可以通過數(shù)值求解上述方程組獲得,在數(shù)學(xué)上看,上述求解過程是解決一個(gè)初值問題。L.F.RichardsonRichardson實(shí)驗(yàn)失敗的主要原因方案過于普遍化,對(duì)大氣波動(dòng)和數(shù)值計(jì)算中的一些基本理論問題認(rèn)識(shí)不夠。大氣變化實(shí)際上是多種波動(dòng)的疊加,其中代表天氣意義的變化的波動(dòng)是那些波長比較長、變化比較緩慢的波動(dòng),他們可能是其他一些更短的波動(dòng)的平均結(jié)果。短波意味著時(shí)空尺度小、移動(dòng)變化快。因此,如果我們對(duì)預(yù)報(bào)的初值不加處理或處理不好,都會(huì)造成初始狀態(tài)的不平衡,由此產(chǎn)生快速移動(dòng)的重力波,隨著時(shí)間積分的進(jìn)行,重力波的發(fā)展掩蓋了預(yù)報(bào)中氣象信號(hào)的初始變率。而且Richardson的計(jì)算方案也沒有考慮應(yīng)滿足Courant,Friedricks,Lewy三人在1928提出的計(jì)算穩(wěn)定的條件,因此計(jì)算結(jié)果只能是導(dǎo)致“計(jì)算崩潰”。重力波的振幅虛假地增大,完全掩蓋了天氣波動(dòng)的發(fā)展。觀測網(wǎng)的極端稀缺和計(jì)算量的巨大也是阻礙Richardson成功的兩大因素。以至于其后很長一段時(shí)間沒有人愿意冒險(xiǎn)沿著Richardson的足跡繼續(xù)走下去。當(dāng)時(shí)一戰(zhàn)前,人們對(duì)大氣的了解主要還是依靠放置于地面上的觀測儀器所獲得的。無線電通信、無線電探測、航空飛行都還不發(fā)達(dá)。對(duì)高層大氣的了解基本是空白。只是依靠有限的高山站的數(shù)據(jù)推測得出。美國人曾經(jīng)使用風(fēng)箏攜帶儀器探測大氣。受資料和通信的限制,實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是不可能的,即使只是根據(jù)事后收集的數(shù)據(jù)作實(shí)驗(yàn)計(jì)算,惡劣的初值和邊界條件就足以導(dǎo)致計(jì)算失敗。更何況Richardson當(dāng)年并沒有意識(shí)到上一條中提到的初值處理的重要性??茖W(xué)思想的提出與最初的試驗(yàn)VilhelmBjerknesIn1904,V.Bjerknesdeclaredtheproblemofprognosisastheintegrationoftheequationsofmotionfortheatmosphere...thatfuturestatesoftheatmospherearedictatedbyitsdetailedinitialstateandknownboundaryconditions.

L.F.RichardsonIn1922,L.F.Richardsonlaidoutanumericalmodelandperformedthefirstcomputations(byhand).CRNP歷史回顧“數(shù)值預(yù)報(bào)的復(fù)興”之路1950年Charney(美)等人借助于世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)制作出世界上第一張北半球500毫巴24小時(shí)形勢預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)場與實(shí)況相關(guān)系數(shù)達(dá)0.75——第二個(gè)里程碑。從此數(shù)值預(yù)報(bào)走入實(shí)踐,并得到迅速發(fā)展?!癢eatherForecastingbyCalculatorRunbyElectronicsisPredicted”

NewYorkTimes,11January1946,p.12.1946ENIACJulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949(ElectricalNumericalIntegratorAndCalculator)CRNP歷史回顧世界上第一張成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)圖:500mb高度場和渦度場(變高變渦場)初始24hrs觀測24hrs變高、渦24hrs預(yù)報(bào)JulesCharney,R.FjortoftandJohnvonNeumannmadethefirst48hourbarotropicfilteredmodelforecastonENIACin1949Charney的成功的經(jīng)驗(yàn):“人們不再試圖去處理大氣所有的復(fù)雜性,而滿足于較好地近似于實(shí)際大氣運(yùn)動(dòng)的簡化模式。他們通過僅僅一些被認(rèn)為對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)最有影響力的因子所構(gòu)成的模式開始,再逐步增加其他的因子,這樣不斷吸納新因子就可以將此項(xiàng)工作開展下去,避免由于同時(shí)將大量的不甚了解的因子同時(shí)引進(jìn)而不可避免要遭遇的陷阱?!贝龠M(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)迅速發(fā)展的因素:探空技術(shù)及先進(jìn)的探測技術(shù)的發(fā)展—為預(yù)報(bào)提供了必要食糧。通訊技術(shù)的發(fā)展—為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)資料的收集提供的必要的手段。動(dòng)力氣象和天氣學(xué)的發(fā)展—為各種模式的發(fā)展提供了理論。計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展—是NWP實(shí)現(xiàn)的必備工具。近代數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展:預(yù)報(bào)范圍擴(kuò)大:時(shí)間上:短期、中期、長期、氣候、古氣候恢復(fù)??臻g上:局地、全球、空間大氣中的各種物理過程的描述更加細(xì)致。地形、輻射、行星邊界層、積云對(duì)流、海氣相互作用、微量氣體。計(jì)算理論不斷改進(jìn)、資料處理更加完善。預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不斷提高、產(chǎn)品更加豐富。因此,數(shù)值預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)?!獢?shù)字化,定量客觀,已包括、可以包括現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)除觀測技術(shù)外的所有方面。資料處理、產(chǎn)品再生成與分析、可示化…基于物理規(guī)律的數(shù)值預(yù)報(bào)理論的發(fā)展,使人類可以利用計(jì)算機(jī)重現(xiàn)或預(yù)測發(fā)生在自然界的天氣變化過程。這是地球科學(xué)由“定性”走向“定量”的重大進(jìn)步。數(shù)值預(yù)報(bào)理論和技術(shù)水平越來越高,應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)已被認(rèn)為是未來解決天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測等問題的根本科學(xué)途徑。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論和應(yīng)用是過去一個(gè)多世紀(jì)以來地球科學(xué)的最重大進(jìn)步和成就之一。數(shù)值模式的整體水平是國家氣象綜合水平的集中體現(xiàn)。早期的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)1954瑞典1958美國1959日本1962年美國建立了第一個(gè)業(yè)務(wù)的斜壓準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式,英國在1965緊跟其后。1966年第一個(gè)全球原始方程模式在美國國家氣象中心運(yùn)行70年代就出現(xiàn)了多個(gè)全球的、半球的和區(qū)域的各式各樣的原始方程模式了。70年代中期大氣環(huán)流模式已可用于長時(shí)間積分進(jìn)行氣候模擬。Richardson夢(mèng)想“數(shù)值預(yù)報(bào)工廠”。1975年歐洲科學(xué)技術(shù)合作計(jì)劃開始,其中為加強(qiáng)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)很快成立了ECMWF。第一個(gè)實(shí)時(shí)中期預(yù)報(bào)于1979年6月完成,1979年8月1日開始業(yè)務(wù)中期天氣預(yù)報(bào),標(biāo)志著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)走向成熟。數(shù)值模式的先驅(qū)們經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)賦有挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新工作,奠定了現(xiàn)代數(shù)值模式發(fā)展的基礎(chǔ)。1904-1950s:數(shù)值模式的醞釀期1950s-1960s:數(shù)值模式架構(gòu)的完善期1960s-1980s:大氣環(huán)流模式的發(fā)展1980s-1990s:完善物理過程和資料同化1990s之后:耦合模式的發(fā)展科學(xué)家們的努力—未來的10年精細(xì)的短期預(yù)報(bào)。用風(fēng)暴尺度模式預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣。較完善的資料同化系統(tǒng)??梢宰畲笙薅鹊貜挠^測中提取有用信息,尤其是可以把衛(wèi)星雷達(dá)等非直接觀測的遙感信息加入到資料同化系統(tǒng)中。改進(jìn)中期預(yù)報(bào),尤其是通過使用集合預(yù)報(bào)方法改進(jìn)中期預(yù)報(bào)的水平。對(duì)由集合預(yù)報(bào)指示的預(yù)報(bào)誤差快速增長區(qū),增加觀測。發(fā)展更為完善的海-地-氣耦合模式。發(fā)展各種更高效的計(jì)算方法。為政府決策及公眾服務(wù)提供更多、更細(xì)致、更廣泛的預(yù)報(bào)參考。諸如空氣污染、公路狀況、河流洪水預(yù)報(bào)、污染物擴(kuò)散、健康保險(xiǎn)等。這里提到的許多方面都是屬于非傳統(tǒng)的氣象服務(wù)領(lǐng)域。而數(shù)值預(yù)報(bào)是我們可以依靠的最主要手段。24小時(shí)預(yù)報(bào)誤差相當(dāng)于大氣探空觀測誤差水!歐洲中心數(shù)值預(yù)報(bào)水平檢驗(yàn)的逐年變化

5天的形勢預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)85%以上!可用預(yù)報(bào)達(dá)一周!美國國家颶風(fēng)中心對(duì)大西洋颶風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差122436487296120ForecastPeriod(hours)0100200300400500Error(nauticalmiles)1964-19731984-19931974-19831994-2002Isabel2003kmms1hr1d1m1y10yseasonalclimatesynoptic臨近預(yù)報(bào)短期中期長期季、年氣候typhoon現(xiàn)代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)正向兩方面發(fā)展:一方面試圖解決大尺度、全球、季、氣候預(yù)報(bào);另一方面,局地的、小尺度問題。典型天氣系統(tǒng)的時(shí)間和空間尺度我國主要發(fā)生的自然災(zāi)害:

—?dú)庀笫且环N災(zāi)害或資源?臺(tái)風(fēng)梅雨、暴雨、洪水干旱寒潮沙塵暴全國氣象自然災(zāi)害損失平均占國家GDP的3~6%

。FlashFloodingJuly102004Beijingdowntown125mm/4hrnearCMA2012北京7.21暴雨2012年7月21日,北京城遭遇今年以來最大的雨,總體達(dá)到特大暴雨級(jí)別。一天內(nèi),市氣象臺(tái)連發(fā)五個(gè)預(yù)警,暴雨級(jí)別最高上升到橙色。截至22日2時(shí),全市平均降雨量164毫米,為61年以來最大。其中,最大降雨點(diǎn)房山區(qū)河北鎮(zhèn)達(dá)到460毫米。暴雨引發(fā)房山地區(qū)山洪暴發(fā),拒馬河上游洪峰下泄。截至22日17時(shí),暴雨洪澇災(zāi)害造成房山、通州、石景山等11區(qū)(縣)12.4萬人受災(zāi),4.3萬人緊急轉(zhuǎn)移安置。全市受災(zāi)人口190萬人,其中房山區(qū)80萬人。23日,據(jù)初步統(tǒng)計(jì),全市經(jīng)濟(jì)損失近百億元。據(jù)央視新聞報(bào)道,北京“7·21”特大自然災(zāi)害已造成77人遇難。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的先進(jìn)性

預(yù)報(bào)是建立在一組對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律了解了的數(shù)學(xué)物理方程組上。代表了定量可觀化的預(yù)報(bào)方向??梢灶A(yù)報(bào)天氣的極值變化。目前氣象上幾種預(yù)報(bào)方法比較天氣學(xué)方法以天氣圖云圖、觀測為基礎(chǔ),方法有變高平流等。物理機(jī)制清楚,主觀能動(dòng)性強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)以要素的時(shí)間、空間序列為基礎(chǔ),用相關(guān)、回歸等統(tǒng)計(jì)方法作預(yù)報(bào)。定量客觀,靈活。數(shù)值預(yù)報(bào)要素,觀測,天氣圖等,代表大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)熱力學(xué)方程組,物理機(jī)制清楚,定量客觀,自動(dòng)化。天氣尺度波動(dòng)與高頻重力波的疊加

經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法(天氣諺語,物候?qū)W)天上豆莢云,地上曬煞人日出日落胭脂紅,不雨就生風(fēng)螞蟻搬家,有雨要下天氣學(xué)方法(天氣圖預(yù)報(bào)方法)氣象雷達(dá)、衛(wèi)星觀測定性診斷分析方法此外,還有相似法、統(tǒng)計(jì)法等數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品是如何制作的?初始狀態(tài)未來狀態(tài)數(shù)值模式對(duì)演變規(guī)律的綜合理論認(rèn)識(shí)外力和強(qiáng)迫數(shù)值預(yù)報(bào)流程圖氣象觀測資料資料同化數(shù)值預(yù)報(bào)模式模式后處理

數(shù)值預(yù)報(bào)釋用產(chǎn)品分發(fā)

中央計(jì)算機(jī)群系統(tǒng)通信及計(jì)算機(jī)傳輸網(wǎng)絡(luò)通信及計(jì)算機(jī)傳輸網(wǎng)絡(luò)資料同化逐時(shí)刻“推算”未來天氣演變數(shù)值天氣預(yù)報(bào)原理空間格點(diǎn)逐一格點(diǎn)求解一組數(shù)學(xué)方程數(shù)值模式天氣演變圖數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)包括的部分客觀分析和資料同化系統(tǒng)—主要解決從觀測資料到模式可用資料的數(shù)字轉(zhuǎn)換。初始化過程-去除資料中的干擾。數(shù)值模式—一組數(shù)理方程組(干模式)物理過程參數(shù)化—描述大氣中輻射、行星邊界層、積云對(duì)流、海氣相互作用、微量氣體等(濕模式)。數(shù)值產(chǎn)品的后處理—包括分析診斷再加工各類產(chǎn)品、圖形化顯示。數(shù)值預(yù)報(bào)分類不同對(duì)象的數(shù)值預(yù)報(bào)所使用的技術(shù)方案與預(yù)報(bào)產(chǎn)品都有很大區(qū)別,例如一般的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)關(guān)注并預(yù)報(bào)具體的天氣過程與氣象要素的演變,而短期氣候模式預(yù)測則關(guān)注、預(yù)報(bào)月與季節(jié)尺度的冷暖、旱澇趨勢而不是具體的天氣過程。根據(jù)預(yù)報(bào)對(duì)象的時(shí)間尺度:短期數(shù)值預(yù)報(bào)中期數(shù)值預(yù)報(bào)氣候模式預(yù)測根據(jù)空間范圍和尺度:區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)全球數(shù)值預(yù)報(bào)科研和業(yè)務(wù)模式,準(zhǔn)業(yè)務(wù)模式天氣和氣候(大氣)模式研究的區(qū)別研究對(duì)象:單一大氣

耦合系統(tǒng)關(guān)注目標(biāo):瞬時(shí)結(jié)果

平均狀態(tài)關(guān)鍵變量:降水

溫度關(guān)注內(nèi)容:演變過程

能量收支

精度

穩(wěn)定和守恒水汽過程:凝結(jié)降水

云輻射強(qiáng)迫

CISK

云輻射反饋決定因素:初值

強(qiáng)迫和反饋同化物理和化學(xué)規(guī)律數(shù)值模式是天氣預(yù)報(bào)不可缺少的和氣候預(yù)測最具潛力的工具。數(shù)值模擬是加強(qiáng)對(duì)天氣和氣候系統(tǒng)演變規(guī)律認(rèn)識(shí)所不可替代的工具,是提高理論認(rèn)識(shí)的重要途徑。對(duì)天氣氣候演變規(guī)律的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)都會(huì)在數(shù)值模式中得到體現(xiàn)。數(shù)值模式的整體水平是一個(gè)氣象強(qiáng)國氣象綜合水平的集中體現(xiàn)。數(shù)值模式的重要地位數(shù)值模式要求有準(zhǔn)確的和完整的初值推動(dòng)了現(xiàn)代觀測技術(shù)的發(fā)展,也加速了高科技在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)高分辨率數(shù)值模式的需求和數(shù)值模式計(jì)算的復(fù)雜性推動(dòng)著超級(jí)計(jì)算機(jī)在氣象科學(xué)上的及時(shí)應(yīng)用。數(shù)值模式海量的數(shù)據(jù)處理和通訊推動(dòng)著氣象信息技術(shù)的需求和發(fā)展。數(shù)值模式的不確定性分析是推動(dòng)氣象科學(xué)研究和氣象觀測試驗(yàn)和觀測布局的最重要環(huán)節(jié)。數(shù)值模式從單一大氣到包括人類活動(dòng)在內(nèi)的多圈層耦合,既是數(shù)值模式的完善過程,也是氣象事業(yè)的發(fā)展需求數(shù)值模式豐富的診斷產(chǎn)品為拓展氣象服務(wù)起重要的牽引作用數(shù)值模式發(fā)展對(duì)氣象事業(yè)整體發(fā)展有重要推動(dòng)作用第二講我國數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展

我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展起步并不算晚。從上個(gè)世紀(jì)50年代開始,1955年圖解法-數(shù)值預(yù)報(bào)嘗試。顧震潮先生圖解法開拓我國數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究與應(yīng)用的老前輩早在1955年前,以顧震潮先生為代表老一輩科學(xué)家就開展了NWP的研究探索中科院大氣所:陳雄山,朱抱真,曾慶存,周曉平等中央氣象臺(tái)NWP小組:廖洞賢(組長),杜行遠(yuǎn)(副組長),丑紀(jì)范,紀(jì)立人,黎光清等他們對(duì)我國數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展功不可沒!1959,500hPa高度場48hr預(yù)報(bào),過濾模式。1965,向全國發(fā)布數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。1973.3,北半球3層原始方程模式—A模式。1982,北半球5層原始方程模式—B模式。1991,T42L9—三角截?cái)?2個(gè)波,9層全球譜模式(由ECMWF引進(jìn)).現(xiàn)在已更新到:T63L16(1995),T106L19(1997),T213L31(2002).T639(2008)從過濾模式到B模式,我們一直依靠自己的技術(shù)發(fā)展。但隨著改革開放,我們也歡迎引進(jìn)國外的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。中期數(shù)值預(yù)報(bào)模式(李澤椿、紀(jì)立人等)2層全球格點(diǎn)模式(曾慶存、梁信忠等)4層海洋環(huán)流模式(張學(xué)洪等)HLAFS模式(張玉玲、郭肖容等)p-混合坐標(biāo)模式(錢永甫等)YH模式(顏宏等)TL系列模式(薛紀(jì)善等)REM-坐標(biāo)(宇如聰、曾慶存等)海氣耦合模式(曾慶存、張學(xué)洪等)短期氣候預(yù)測動(dòng)力模式系統(tǒng)(BCC,IAP等NIM(RAPAR-nim模式))耦合氣候系統(tǒng)模式(IAP等)

80年代開始建立數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)

以引進(jìn)國外先進(jìn)的模式與同化方案為主,建立業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)全球中期預(yù)模式的發(fā)展

(1)T42L9中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)

(2)T63L16中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)

(3)T106L19中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)

(4)T213L31中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)有限區(qū)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展

(1)LAFS有限區(qū)分析和預(yù)報(bào)系統(tǒng)

(2)HLAFS有限區(qū)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)及改進(jìn)近十多年數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的顯著發(fā)展

——基本數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)間模式水平分辨率垂直分辨率分析同化計(jì)算機(jī)1991.6T42L9320KM9-

層OICYBER1992.3LAFS200KM15-

層OICYBER1995.6T63L16200KM16-

層OICRAY-C921995.5HLAFS110KM15-

層OICRAY-C921997.6T106L19120KM19-

層OICRAY-C921998.40.5HLAFS55KM20-

層OICRAY-C922002.9T213L3160KM31-

層OIIBM-SP2003.30.25HLAFS27KM20-

層OIIBM-SP2006.8GRAPES-Meso30km31-

z

層/35km3DVarSPCLUSTER16002006.12T213/SSI

60KM31-

層3DVarSPCLUSTER1600國家氣象中心數(shù)值預(yù)報(bào)最近10多年的發(fā)展時(shí)間業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)1996.5區(qū)域臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)系統(tǒng)(MTTP)CRAY-C921998.x2001.9核污染擴(kuò)散傳輸模式系統(tǒng)核污染擴(kuò)散傳輸模式系統(tǒng)(HYSPLIT4)CRAY-C92DEC-ALPHA1998.62000.82004.6北京地區(qū)中尺度模式系統(tǒng)華北地區(qū)中尺度模式系統(tǒng)(HB-MM5)NMC中尺度模式系統(tǒng)SP-2神威-11999.x2004.9森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)報(bào)(模型)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)CRAY-C92IBM-SP2000.3中期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)T106L19/32成員神威-12001.6城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)(47個(gè)城市)神威-12004.3沙塵數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)DEC-ALPHA2004.6紫外線等級(jí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)IBM-SP2004.6全球臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)系統(tǒng)IBM-SP2005.x海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)IBM-SP2005年7月15日00時(shí)預(yù)報(bào)的05號(hào)臺(tái)風(fēng)海棠的850hpa風(fēng)場演變動(dòng)畫圖0~24h24~48hProvidedbyZhouBinofNWPD/NMC中尺度模式的改進(jìn)(27km*9km)2004年業(yè)務(wù)2005年4月17日20時(shí)起報(bào)——地面沙塵濃度藍(lán)色數(shù)字為地面實(shí)況15小時(shí)預(yù)報(bào)18小時(shí)預(yù)報(bào)39小時(shí)預(yù)報(bào)開縣高橋鎮(zhèn)有毒氣體擴(kuò)散傳輸路徑(23日22時(shí)-26日20時(shí))0-500米高度內(nèi)傳輸路徑1500米高度上傳輸路徑3000米高度上傳輸路徑開縣高橋鎮(zhèn)48小時(shí)內(nèi)有毒氣體影響到地面的區(qū)域分布(23日22時(shí)-25日20時(shí))重慶井噴事故應(yīng)急響應(yīng)決策服務(wù)產(chǎn)品污染物擴(kuò)散緊急響應(yīng)成就建立了較為完整的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)體系為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供了豐富的產(chǎn)品壯大了業(yè)務(wù)與研究隊(duì)伍不足:

模式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展升級(jí)慢計(jì)算機(jī)與觀測資料的改進(jìn)沒有有效貢獻(xiàn)于預(yù)報(bào)的改進(jìn)結(jié)果:預(yù)報(bào)質(zhì)量與先進(jìn)水平及業(yè)務(wù)需要差距大挑戰(zhàn):

面臨不斷增長的服務(wù)需求的壓力與國際數(shù)值預(yù)報(bào)先進(jìn)水平的差距可能加大國家對(duì)氣象現(xiàn)代化的投入期待回報(bào)數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展回顧我國經(jīng)過近二十年多年的科技攻關(guān),使得數(shù)值天氣預(yù)報(bào)也有了很大的發(fā)展,先后建立了從中尺度、短期天氣,到中期天氣、短期氣候的數(shù)值預(yù)報(bào)體系。以數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合其它方法建立起來的現(xiàn)代綜合氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng),已成為我國氣象工作者進(jìn)行天氣氣候分析和預(yù)報(bào)的重要手段。但是,當(dāng)前我國的數(shù)值預(yù)報(bào)水平與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平相比,仍有較大差距:已經(jīng)投入業(yè)務(wù)紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)——2003年空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)——2001年森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)報(bào)系統(tǒng)——1999年核污染擴(kuò)散傳輸預(yù)報(bào)系統(tǒng)——1998年(2002年升級(jí))

準(zhǔn)業(yè)務(wù)沙塵暴預(yù)報(bào)系統(tǒng)——2004年臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立了臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng):◆

1996年5月區(qū)域臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(MTTP)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用,有臺(tái)風(fēng)時(shí)每天兩次提供48小時(shí)預(yù)報(bào)。◆

2004年7月基于T213L31的全球臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GMTTP)進(jìn)入準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行,在臺(tái)風(fēng)季節(jié)每天運(yùn)行4次,預(yù)報(bào)時(shí)效120小時(shí),較大地提高了臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平;2006年1月GMTTP正式業(yè)務(wù)化?!舨捎贸跏紲u旋形成技術(shù)、重定位技術(shù)、和渦旋初始化技術(shù),實(shí)現(xiàn)和建立了臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)和基于SSI三維變分同化技術(shù)的全球中期預(yù)報(bào)一體化系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的路徑預(yù)報(bào)效果全面優(yōu)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)?!艚ǔ闪嘶谌蛑衅诩项A(yù)報(bào)系統(tǒng)的臺(tái)風(fēng)全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)ForecastsofKatrinafor12UTC,Monday29AugustOperationalT511L6072hforecast36hforecastOperationalT511L60TestT799L91TestT799L91++++全球業(yè)務(wù)模式T213預(yù)報(bào)水平與技巧T213夏季500hPa環(huán)流形勢可用預(yù)報(bào)時(shí)效北半球5天;東亞4天比3年前延長了1天左右比EC模式短1.5天、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小時(shí)降水TS評(píng)分晴雨0.6(60%);大雨0.1(10%);暴雨0.05(5%)比3年前,晴雨提高了5%;大-暴雨提高了2%左右比日本模式,晴雨低1-3%;但大-暴雨略高與德國模式預(yù)報(bào)技巧基本相當(dāng)2002年3月20日08北京時(shí)沙塵天氣地面實(shí)況觀測——楊沙——沙塵暴——強(qiáng)沙塵暴沙塵模式預(yù)報(bào)的同一時(shí)刻的地面沙塵濃度(毫克/立方米)GRAPES_MESO模式(6km)預(yù)報(bào)降雨場:雨帶、強(qiáng)中心、出現(xiàn)時(shí)間均與實(shí)況很接近!TyphoonRananim(云娜)landedinZhejiangprovinceon12~13August2004,causedaheavyrain:observation(black)and24hrsforecastbyGRAPES。Rainy(red)areaandintensityingoodagreement(fromWangYu).全球中期業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的演變國家氣象中心業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)演變(北半球500hPa高度場均方根誤差)0204060801008283848586878889909192939495969798990123456RMSE48h96h144h50rmsBT42L9T63L16T106L19T213L31

T213-D3T213-D5T213-D7

、、

分別T213L31(2003年)7月份3、5、7天預(yù)報(bào)500hPa距平相關(guān)系數(shù)

提高業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)水平,縮小差距滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步對(duì)氣象服務(wù)的增長需求差距達(dá)15年以上!

模式

預(yù)報(bào)的主要側(cè)重點(diǎn)T213L31預(yù)報(bào)1-10天內(nèi)全球大尺度環(huán)流的演變、大范圍降水的發(fā)生發(fā)展等,如高空槽脊、副熱帶高壓,地面高、低氣壓和冷、暖鋒面,大范圍雨帶等0.25

HLAFS對(duì)中國區(qū)域的降水進(jìn)行短期(60小時(shí)以內(nèi))預(yù)報(bào),如降水發(fā)生區(qū)域、降水強(qiáng)度、降水出現(xiàn)時(shí)段等臺(tái)風(fēng)模式(60/50km)專門針對(duì)發(fā)生在西太平洋-我國沿海的臺(tái)風(fēng),進(jìn)行其中心位置、移動(dòng)路徑的中短期(96/48小時(shí)內(nèi))預(yù)報(bào)中期T106集合預(yù)報(bào)對(duì)未來1-10天,特別是第5-10天期間、全球大尺度環(huán)流和大范圍降水發(fā)展演變的可能性(即概率)進(jìn)行預(yù)報(bào)

中尺度(基于MM5,27-9km)預(yù)報(bào)京津及其它地區(qū)氣象要素短時(shí)間(48小時(shí))的連續(xù)變化,如氣溫、風(fēng)、相對(duì)濕度、降水量等間隔3小時(shí)的預(yù)報(bào)類別

與數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)系空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)MM5模式提供邊界層內(nèi)格點(diǎn)的水平平均風(fēng)速、位勢高度、溫度、地面降水量,作為無源參數(shù)的箱格預(yù)報(bào)模式計(jì)算污染物濃度、污染指數(shù)所需的氣象參數(shù)森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)T106、HLAFS預(yù)報(bào)資料和實(shí)時(shí)觀測作為火險(xiǎn)隱患區(qū)判別數(shù)學(xué)模型的輸入數(shù)據(jù)核污染擴(kuò)散傳輸預(yù)報(bào)在T106模式中嵌套并同步運(yùn)行擴(kuò)散模式,預(yù)測核污染物擴(kuò)散遷移路徑、濃度及干/濕總沉降紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)在T106模式中接入大氣輻射傳輸模式,并同步運(yùn)行,由T106模式為大氣輻射傳輸模式提供輸入資料沙塵暴預(yù)報(bào)(正在開發(fā))以T213分析和預(yù)報(bào)作為沙塵擴(kuò)散傳輸氣象背景條件的初值和區(qū)域大氣模式的側(cè)邊界資料。擁有獨(dú)立的起沙模式和沙塵擴(kuò)散傳輸模式T213數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程通信要素庫Alpha場庫IBMSP并行后處理預(yù)處理并行全球預(yù)報(bào)并行中期全球預(yù)報(bào)T213L3110天預(yù)報(bào)集合預(yù)報(bào)T106L1932個(gè)樣本神威中尺度預(yù)報(bào)6公里神威并行全球分析存檔格點(diǎn)場圖形顯示檢驗(yàn)評(píng)價(jià)中央各部委電視IBMSP6節(jié)點(diǎn)/48CPU區(qū)域分析預(yù)報(bào)0.25°HLAFSIBMSP區(qū)域臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)50kmMTTPC92/神威CRAY-C92(T106L19場庫)初估場的生成(9:30)ALPHA機(jī)(要素庫)觀測資料的提取處理(10:30)河南省氣象臺(tái)NMC天氣預(yù)報(bào)室北京市氣象臺(tái)河北省氣象臺(tái)天津市氣象臺(tái)華北地區(qū)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程圖山東省氣象臺(tái)山西省氣象臺(tái)內(nèi)蒙區(qū)氣象臺(tái)局域網(wǎng)遠(yuǎn)程網(wǎng)神威(SW-I)分析、初值的形成(10:45)神威(SW-I)Nudging同化、預(yù)報(bào)(11:00)神威(SW-I)后處理插值、產(chǎn)品的生成(2:20)9210衛(wèi)星通信NMC數(shù)控室模式降水預(yù)報(bào)水平與技巧T213夏季/冬季500hPa環(huán)流形勢可用預(yù)報(bào)時(shí)效北半球5天/6-6.5天;東亞4天/5-5.5天比T106L19延長了1天左右比EC模式短1.5天左右、比日本模式短0.5-1天T213夏季48小時(shí)降水TS評(píng)分晴雨0.6(60%);大雨0.1(10%);暴雨0.05(5%)比3年前,晴雨提高了5%;大-暴雨提高了2%左右比日本模式,晴雨低1-3%;但大-暴雨略高與德國模式預(yù)報(bào)技巧基本相當(dāng)拓展的環(huán)境氣象模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)投入業(yè)務(wù)紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)——2003年空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)——2001年森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)報(bào)系統(tǒng)——1999年核污染擴(kuò)散傳輸預(yù)報(bào)系統(tǒng)——1998年(2002年升級(jí))實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)或準(zhǔn)業(yè)務(wù)沙塵暴預(yù)報(bào)系統(tǒng)環(huán)境氣象模式預(yù)報(bào)類別

與主要數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)系城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)(CAPPS)MM5模式提供邊界層內(nèi)格點(diǎn)的水平平均風(fēng)速、位勢高度、溫度、地面降水量,作為無源參數(shù)的箱格預(yù)報(bào)模式計(jì)算污染物濃度、污染指數(shù)所需的氣象參數(shù)紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)輻射傳輸模式與T213模式耦合,T213模式積分過程中的一些中間量作為輻射傳輸模式的輸入值,計(jì)算UV輻射通量,即預(yù)報(bào)UV輻射強(qiáng)度核污染擴(kuò)散傳輸預(yù)報(bào)T213預(yù)報(bào)結(jié)果作為污染擴(kuò)散傳輸模式(NOAA的HYSPLIT4)環(huán)境場輸入資料,預(yù)測核污染物擴(kuò)散遷移路徑、濃度及干/濕總沉降沙塵暴數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)與T213模式單向非同步嵌套,主要預(yù)測沙塵含量、垂直沙通量、沙塵干/濕沉降等二、沙塵暴數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(在引進(jìn)邵亞平博士的沙塵模式基礎(chǔ)上開發(fā)建立)根據(jù)風(fēng)蝕現(xiàn)象發(fā)生的物理機(jī)制,模擬風(fēng)蝕現(xiàn)象的各個(gè)部分,包括起沙、輸送、沉降集成的沙塵暴數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括四個(gè)部分大氣預(yù)報(bào)模式、風(fēng)蝕方案、陸面方案地理信息及遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集目前可以預(yù)報(bào)

沙塵濃度(

gm-3)

起沙量(kgkm-2d-1)

沉降量(kgkm-2d-1)

摩擦速度(ms-1)

臨界摩擦速度(ms-1)etc.國家氣象中心臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)T639-新一代全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)國家氣象中心新一代全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)TL639L60于2008年6月1日正式業(yè)務(wù)運(yùn)行,其產(chǎn)品通過9210下發(fā)。T639模式本身能提供0.28125度的產(chǎn)品,但在9210下發(fā)的產(chǎn)品經(jīng)過稀疏化處理,分辨率為1度。T639模式基本特點(diǎn)T213L31TL639L60可分辨的最大水平波數(shù)213639垂直層次3160模式層頂10hpa0.1hpa格點(diǎn)空間定義二次高斯格點(diǎn)線性高斯格點(diǎn)格點(diǎn)空間640

3201280

640水平分辨率60公里30公里報(bào)類\時(shí)次00061218地面觀測資料7315728575777008船舶和浮標(biāo)資料873910614852010770探空觀測資料6181759516測風(fēng)觀測資料35413632295飛機(jī)觀測資料11943129231235811536衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)1073010861970813106ATOVS觀測資料14676577152347091327654814573241FY2C云導(dǎo)風(fēng)1053611245113221316各種觀測資料站點(diǎn)數(shù)(2007.4.13)

ATOVS資料占到全球資料同化中的90%以上黑體:業(yè)務(wù)最優(yōu)插值同化分析所檢索到的資料,全部:準(zhǔn)業(yè)務(wù)三維變分資料同化系統(tǒng)所檢索到的資料中國120中國120全球資料同化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)插值向三維變分同化系統(tǒng)的升級(jí)模式框架升級(jí)及參數(shù)化改進(jìn)模式框架升級(jí)線性高斯格點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)半拉格朗日積分方案的改進(jìn)引入Rayleigh摩擦增加垂直分辨率,模式頂由10hPa提高到0.1hPa物理過程優(yōu)化云和對(duì)流參數(shù)化下墊面資料的升級(jí)和合理初始化方法T639模式動(dòng)力框架的改進(jìn):減少計(jì)算量與存儲(chǔ)空間T213L31T639L60(二次規(guī)約高斯格點(diǎn),原有兩個(gè)時(shí)間層的半拉格朗日積分方案)格點(diǎn)空間水平三倍,垂直兩倍,時(shí)間步長縮短三倍(從900秒到300秒)計(jì)算量增加:3323=54倍T213L31TL639L60(線性規(guī)約高斯格點(diǎn),穩(wěn)定外插兩個(gè)時(shí)間層的半拉格朗日積分方案)格點(diǎn)空間水平兩倍,垂直兩倍,時(shí)間步長縮短3/2倍(從900秒到600秒)計(jì)算量增加:

2223/2=12倍減少計(jì)算量4.5倍,存儲(chǔ)量減少2.25倍weightfunctionsoftheAMSU-A(middle)andAMSU-B(right)channels.

L31L60GSIT213L31top模式頂層升級(jí)到0.1百帕后,更好的同化AMSU-A12,13通道平流層增加14層邊界層增加多層T639模式物理過程的改進(jìn)T213的問題:預(yù)報(bào)時(shí)效短,中后期副高偏強(qiáng),中國區(qū)近地面要素預(yù)報(bào)效果差,中雨以上降水預(yù)報(bào)偏大,空?qǐng)?bào)多,南半球預(yù)報(bào)效果很不好,鋒面等預(yù)報(bào)偏差大,衛(wèi)星資料只占10%,物理過程方案有待改進(jìn)。T639模式物理過程的改進(jìn)T639的改進(jìn):T639模式物理過程主要是針對(duì)T213模式使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)得來。T213模式降水預(yù)報(bào)偏差偏大空?qǐng)?bào)多,主要原因是小于模式分辨率的次網(wǎng)格對(duì)流參數(shù)化過程不夠活躍,對(duì)大氣中不穩(wěn)定的消除不夠有效,有太多格點(diǎn)尺度對(duì)流發(fā)生。另外,隨著模式分辨率提高,需要保持模式可分辨對(duì)流和次網(wǎng)格參數(shù)化對(duì)流之間的合理平衡。改進(jìn)方案主要增加了次網(wǎng)格的對(duì)流活動(dòng),對(duì)流強(qiáng)度增加了,因此對(duì)流降水占總降水的比例也增加了,從而格點(diǎn)尺度降水占總降水的比例減少了,從而使得降水預(yù)報(bào)偏差偏大空?qǐng)?bào)多的問題有所克服。T639模式物理過程的改進(jìn)還包括云方案改進(jìn),與T639模式匹配的下墊面資料處理系統(tǒng)和合理的初始化方案等方面。2006年7月至2008年5月T639與T213模式500hPa高度預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

HigherhorizontalandverticalresolutionAnomalycorrelationof500hPaheightforEuropeT511L60T799L91DayMeanover148casesfrom1August2004南半球距平相關(guān)系數(shù)形勢場檢驗(yàn)

500hpa高度場均方根誤差:除了印度地區(qū)外,全球其它27個(gè)分區(qū)的均方根誤差都比T213模式有不同程度的減小。印度地區(qū)通過系統(tǒng)性偏差訂正后效果顯著改善,形勢場檢驗(yàn)

500hpa高度場距平相關(guān)系數(shù)方面,赤道地區(qū)、北半球低緯帶和印度地區(qū)有些預(yù)報(bào)時(shí)效的表現(xiàn)不如T213,主要是模式系統(tǒng)性偏差太大,通過偏差訂正效果顯著改善,好于T213。其它分區(qū)的表現(xiàn)都比T213好:東亞地區(qū)有較小的改善;中國區(qū)域和北半球的可用天數(shù)提高0.8天;中國西北部提高1.3天;中國西南部地區(qū)提高4.4天;中國東部地區(qū)提高1天;南半球提高1.4天。850hpa溫度場T639模式28個(gè)分區(qū)的均方根誤差都比T213有不同程度的減??;其中,南半球地區(qū)、中國南部地區(qū)、中國東北部地區(qū)、中國西北部地區(qū)、改善幅度較大。850風(fēng)場

T639模式改善效果一般:東亞地區(qū)比T213均方根誤差稍大;北半球相差不大;中國西南部地區(qū)有比較明顯的減小;總體來說,中高緯度地區(qū)均方根誤差是減小的,低緯地區(qū)的改進(jìn)效果不明顯,均方根誤差要比T213大。

對(duì)于高空東移西風(fēng)槽,T639模式具有較好的預(yù)報(bào)性能。通常情況下,高空槽系統(tǒng)越強(qiáng),T639模式的預(yù)報(bào)效果越好。如下圖中2008年8月27日至31日一次東移西風(fēng)槽,T639模式的72h時(shí)效預(yù)報(bào)也非常穩(wěn)定,且與實(shí)況一致。

對(duì)于北方東移冷渦,T639模式24h、48h時(shí)效的渦中心及切變位置預(yù)報(bào)較為可靠,而72h時(shí)效在系統(tǒng)較弱時(shí)預(yù)報(bào)稍差,通常系統(tǒng)預(yù)報(bào)的移動(dòng)偏慢。

對(duì)于東出高原槽,下圖個(gè)例分析顯示T639模式24h預(yù)報(bào)效果較理想,而48h和72h時(shí)效預(yù)報(bào)隨系統(tǒng)的東移而逐漸偏慢(尤其是72h時(shí)效預(yù)報(bào))。另外值得提出的是,T639模式對(duì)于高原低值系統(tǒng)或高原槽具有較好的辨析度,即很少出現(xiàn)漏報(bào)的情況。

對(duì)于東移西南低渦系統(tǒng),如下圖中2008年8月28日至31日的一次過程,T639模式在開始系統(tǒng)較弱時(shí),各時(shí)效預(yù)報(bào)都把低渦中心報(bào)得偏南,而其后隨著東移加強(qiáng),24h和48h預(yù)報(bào)與實(shí)況接近,但72h預(yù)報(bào)偏差較大,將系統(tǒng)報(bào)得偏快或偏北。對(duì)2008年7月21日至24日的另一次東移西南低渦檢驗(yàn),T639模式也表現(xiàn)出類似的偏差。

對(duì)于陸地上減弱臺(tái)風(fēng)低壓的預(yù)報(bào),T639模式的24h和48h時(shí)效預(yù)報(bào)效果較好,72h時(shí)效稍差,如下圖中8月1日20時(shí)的72h預(yù)報(bào)將“鳳凰”減弱低壓中心報(bào)得過于偏南。

對(duì)于江南和華南的低空急流,如下圖中7月20日的例子,T639模式預(yù)報(bào)急流范圍稍小于零場分析,但急流西邊界的位置預(yù)報(bào)較為穩(wěn)定。另外值得提出的是,T639模式對(duì)急流強(qiáng)度和范圍的零場分析和預(yù)報(bào)通常比EC模式更接近實(shí)際探空觀測,EC模式的分析和預(yù)報(bào)都偏弱一些。T639模式對(duì)降水預(yù)報(bào)的性能T639模式36h時(shí)效預(yù)報(bào)2008年9月9日08時(shí)~9月10日08時(shí)日累積降水(mm)。圖中填充等值線為預(yù)報(bào)日累積降水量,圓點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)時(shí)段站點(diǎn)的觀測降水量,其顏色表示降水量級(jí)。

在降水量級(jí)的預(yù)報(bào)上,T639模式在很多情況下優(yōu)于日本模式。通常日本模式預(yù)報(bào)降水量級(jí)偏少,而T639模式更接近于實(shí)況。在實(shí)際業(yè)務(wù)中,T639模式降水預(yù)報(bào)的最主要偏差來自于天氣系統(tǒng)的偏差,因此經(jīng)過降水區(qū)(帶)位置訂正后的T639模式降水預(yù)報(bào)有較高的應(yīng)用價(jià)值。

T639模式的預(yù)報(bào)特長

(1)T639模式的時(shí)間和空間分辨率要高于目前業(yè)務(wù)用的EC和日本模式。在時(shí)間分辨率方面,T639模式48h時(shí)效內(nèi)達(dá)到3h的輸出間隔,有利于預(yù)報(bào)員做更精細(xì)化的預(yù)報(bào)服務(wù)。在空間分辨率方面,現(xiàn)有下發(fā)的MICAPS格式數(shù)據(jù)的分辨率是1°×1°,在下發(fā)條件許可的情況下,可以提供原始分辨率0.28125°×0.28125°產(chǎn)品,對(duì)于天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及降水的分布有更好的表現(xiàn)。(2)在降水量級(jí)的預(yù)報(bào)上,T639模式在很多情況下優(yōu)于日本模式。通常日本模式預(yù)報(bào)降水量級(jí)偏少,而T639模式更接近于實(shí)況。在實(shí)際業(yè)務(wù)中,T639模式降水預(yù)報(bào)的最主要偏差來自于天氣系統(tǒng)的偏差,因此經(jīng)過降水區(qū)(帶)位置訂正后的T639模式降水預(yù)報(bào)有較高的應(yīng)用價(jià)值。(3)T639模式對(duì)中國大陸區(qū)域的觀測資料使用較好,對(duì)于某些天氣系統(tǒng)的表現(xiàn)更接近實(shí)況。如對(duì)于西伸到大陸上空的副高588線,T639模式的零場分析和24h預(yù)報(bào)比EC模式更接近預(yù)報(bào)員實(shí)況分析,EC模式往往會(huì)把副高分析和預(yù)報(bào)得偏弱。此外,T639還會(huì)表現(xiàn)出一些EC模式?jīng)]有分析出來的低渦或切變系統(tǒng)。

T639模式產(chǎn)品

包括大氣基本要素量、地面要素量,以及通過診斷程序生成的診斷量。包括高空17層9個(gè)要素,地面14個(gè)要素,7診斷量后處理輸出要素產(chǎn)品。產(chǎn)品包括MICAPS產(chǎn)品、GRADS產(chǎn)品,GRIB格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品、圖形化產(chǎn)品。集合預(yù)報(bào)集合預(yù)報(bào)思想首先由Epstein(1969)和Leith(1974)提出,經(jīng)歷了70-80年代的研究探索和數(shù)值試驗(yàn)后,至90年代初,美國NCEP和ECMWF于1992年12月先后建立了各自的集合數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng),這標(biāo)志著集合數(shù)值預(yù)報(bào)已進(jìn)入了實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用的成熟階段?,F(xiàn)在,在美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系中,集合預(yù)報(bào)已占據(jù)了非常重要的位置(如ECMWF的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品已占據(jù)所有數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的60%以上),而且集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品已在氣象臺(tái)站得到了廣泛地應(yīng)用。國家氣象中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)1998年6月建成,1999年2月開始業(yè)務(wù)試驗(yàn)。2001年三月業(yè)務(wù)運(yùn)行。

初始資料誤差,模式誤差,以及大氣系統(tǒng)本身的混沌特性使數(shù)值預(yù)報(bào)存在不確定性,也就是說,確定性的唯一解只是其中一種可能。預(yù)報(bào)問題就由原來的確定性預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變成概率預(yù)報(bào),成為對(duì)大氣未來狀態(tài)的概率密度分布進(jìn)行估計(jì)的問題了。要找出所有可能的預(yù)報(bào)結(jié)果,由于大氣運(yùn)動(dòng)的真實(shí)狀態(tài)只能近似知道,因此天氣預(yù)報(bào)只有通過誤差的概率分布函數(shù)PDF的時(shí)間演變才能得到完整的描述。差之毫厘,謬之千里相空間中的概率密度函數(shù)-嚴(yán)格求解不可能,集合預(yù)報(bào)技術(shù)成為一個(gè)變通辦法左側(cè)小圈代表初始條件的不確定性,線條代表不同成員的預(yù)報(bào)軌跡。右側(cè)大橢圓代表預(yù)報(bào)值可能出現(xiàn)的范圍。對(duì)于較短預(yù)報(bào)時(shí)效來說,預(yù)報(bào)可以認(rèn)為是確定性的,積分若干天后,大氣狀態(tài)認(rèn)為是隨機(jī)性的。集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品大致分三類:1、集合平均或集合中值預(yù)報(bào),是集合預(yù)報(bào)最初級(jí)的應(yīng)用。一般可能比單個(gè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確,但對(duì)大氣不穩(wěn)定而可能出現(xiàn)的分叉且多平衡態(tài)無能為力。2、大氣預(yù)報(bào)的可信度預(yù)報(bào),通常用集合預(yù)報(bào)成員間的發(fā)散程度來度量。如面條圖。3、概率預(yù)報(bào),概率分布包含了該集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)所能提供的所有信息,最大程度地包含了實(shí)際大氣可能發(fā)生的各種情況?!懊鏃l”圖a)5天預(yù)報(bào)(結(jié)束時(shí)間1995年11月15日);b)3天預(yù)報(bào)(結(jié)束時(shí)間1995年10月21日)。等高線:5640米。主要數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系

——

中期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)T213L31/15成員

集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立了多套集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng):◆

1996年5月建立了基于T63L16模式的全球中期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(采用時(shí)間滯后平均法(LAF)生成擾動(dòng)初值);◆

1999年建立了32個(gè)成員的基于T106L19模式的全球中期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(采用奇異向量法(SVs)生成擾動(dòng)初值),并于2000年3月投入業(yè)務(wù)應(yīng)用;◆

2006年12月15個(gè)成員的新一代全球中期T213L31集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(采用增長模繁殖法(BGM)生成擾動(dòng)初值)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行?!粢蜒邪l(fā)基于WRF的區(qū)域短期集合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng),提供奧運(yùn)氣象服務(wù)。集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品流程圖全球面條圖全球區(qū)域一體化的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品加工和圖形顯示系統(tǒng)譜格變化、高斯格點(diǎn)轉(zhuǎn)化GRIB格式側(cè)重強(qiáng)對(duì)流指數(shù)產(chǎn)品全球模式輸出量:譜系數(shù)、規(guī)約高斯格點(diǎn)場區(qū)域區(qū)域模式輸出量:標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯格點(diǎn)場平均值+發(fā)散度圖概率圖煙羽圖T213L31增長模繁殖法擾動(dòng)初值CntlRunIC1+IC1-IC2+IC2-運(yùn)行所有樣本集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品加工SSI+ATOVSObsEPS舊業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)系統(tǒng)模式T106L19T213L31水平分辨率1.1250.5625垂直分辨率1931分析系統(tǒng)3DOI3DSSI+ATOVS擾動(dòng)方法SV’sBGM擾動(dòng)區(qū)域GlobalGlobal成員數(shù)3315產(chǎn)品較少較多檢驗(yàn)方法較單一較為全面T213集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡介T213集合預(yù)報(bào)信息提煉及產(chǎn)品的開發(fā)開發(fā)了多種概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品。類型:集合平均、離散度、面條圖要素:風(fēng)、溫、濕、位勢高度、降水多層次集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品每天送往氣象臺(tái)和NMC網(wǎng)站現(xiàn)全球集合預(yù)報(bào)的產(chǎn)品參加國際TIGGE計(jì)劃的資料交換。NMC-T213全球集合預(yù)報(bào),intial:080805128月8日00:00Z—9日00:00Z24h累積降水>=1mm概率圖北京1mm降水概率>90%intial:0808051284h(8月8日00:00Z)

00/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/2-3/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/1100/22-23/1124hrprc(mm)initial00/2/11initial00/1/11NMC發(fā)展計(jì)劃繼續(xù)提高現(xiàn)有模式的預(yù)報(bào)水平。在未來15年內(nèi)發(fā)展自己的數(shù)值模式體系。為此組建數(shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新基地。CMA未來發(fā)展計(jì)劃從區(qū)域到氣候多尺度預(yù)報(bào)服務(wù)擴(kuò)展氣象服務(wù)領(lǐng)域,從傳統(tǒng)領(lǐng)域向環(huán)境、地球科學(xué)領(lǐng)域拓展。建立以數(shù)值預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)的氣象業(yè)務(wù)體系。發(fā)展自主的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。中國新一代數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展計(jì)劃建立一套基于統(tǒng)一模式技術(shù)上的格點(diǎn)模式Global/RegionalAssimilationandPrEdiction

System—GRAPES3或4維變分?jǐn)?shù)據(jù)分析同化系統(tǒng)(3/4DVAR)我國未來數(shù)值預(yù)報(bào)的研究幾個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域遙感資料同化可能吸引更多的研究,云參數(shù)、地面參數(shù)的同化研究將增加集合預(yù)報(bào),特別是中尺度集合預(yù)報(bào)、集合技術(shù)在資料同化中的應(yīng)用將成為研究熱點(diǎn);不同尺度多圈層耦合模式的發(fā)展;對(duì)模式的計(jì)算方法會(huì)有更深入的研究;戰(zhàn)略性決定中國氣象局于2000年做出了一個(gè)戰(zhàn)略性決定:組建數(shù)值預(yù)報(bào)創(chuàng)新基地,集中人力、物力、財(cái)力,自主研究發(fā)展我國的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù),鍛煉培養(yǎng)隊(duì)伍;該項(xiàng)工作同時(shí)得到了科技部十五、十一五攻關(guān)和973項(xiàng)目的支持:包括中國氣象局(業(yè)務(wù)與研究部門)、中科院大氣所、多所大學(xué)的骨干力量支持。研究成果:開發(fā)建立了我國新一代全球/區(qū)域一體化多尺度通用數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES模式24小時(shí)預(yù)報(bào)(km)48小時(shí)預(yù)報(bào)(km)日本業(yè)務(wù)模式123.4152.8國家中心業(yè)務(wù)模式154.6203.8GRAPES_TCM(上海)120.9182.8上海業(yè)務(wù)模式154.6210.0廣州業(yè)務(wù)模式141.5170.0多模式對(duì)海棠臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的距離誤差比較此表由上海臺(tái)風(fēng)所提供24小時(shí)預(yù)報(bào),GRAPES_TCM的誤差最小,48小時(shí)預(yù)報(bào),其誤差位于第三位。700hPa水汽圖(全球GRAPES新模式預(yù)報(bào)2005-Matsa臺(tái)風(fēng)的6天演變過程)集合預(yù)報(bào)GRAPES的應(yīng)用大氣科學(xué)研究沙塵暴預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)觀測試驗(yàn)?zāi)M熱帶氣旋預(yù)報(bào)閃電模擬教學(xué)培訓(xùn)氣候模擬GRAPES“家族”GRAPES_Meso中尺度預(yù)報(bào)模式GRAPES_Global全球預(yù)報(bào)模式GRAPES_TCM臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)模式GRAPES_TMM熱帶氣象預(yù)報(bào)模式GRAPES_DAM沙塵氣溶膠預(yù)報(bào)模式GRAPES_SWIFT臨近預(yù)報(bào)模式GRAPES_MEPS中尺度集合預(yù)報(bào)模式GRAPES_LM雷電研究模式GRAPES未來3~5年發(fā)展計(jì)劃表模式/同化200720082010東亞區(qū)域模式

15km/33層

10km/40層5km/70層全球模式

50km/31層

40km/61層20km/81層區(qū)域資料同化3DVAR50km/17層

4DVAR60km/40層4DVAR/EnKF30km/70層全球資料同化3DVAR110km/17層

3DVAR40km/61層4DVAR80km/81層注:發(fā)展步伐會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整面向超級(jí)城市群的精細(xì)預(yù)報(bào)示范試驗(yàn)系統(tǒng)

Grey,blue:Qcqrandaccum.rainfallsYellow:115.5°Ev,wstreamGreen:32°Nu;wvectorOrange:1000hPau;vstreamVisualizing廣州城市熱島效應(yīng)模擬城市熱島高溫區(qū)和水平風(fēng)場城市熱島引起的垂直輸送GRAPES-1km精細(xì)化模式模擬例子之一(廣州熱帶所)北京2008奧運(yùn)會(huì)體育場館氣流模擬GRAPES-1km精細(xì)化模式模擬例子之二(北京城市所)N北京金融街區(qū)風(fēng)場模擬GRAPES-1km精細(xì)化模式模擬應(yīng)用例子之三(北京城市所)我國未來數(shù)值預(yù)報(bào)的研究幾個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域遙感資料同化可能吸引更多的研究,云參數(shù)、地面參數(shù)的同化的研究將增加集合預(yù)報(bào),特別是中尺度集合預(yù)報(bào)、集合技術(shù)在資料同化中的應(yīng)用將成為研究熱點(diǎn);不同尺度多圈層耦合模式的發(fā)展;對(duì)模式的計(jì)算方法會(huì)有更深入的研究;第三講國外數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展

國外數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展,從上個(gè)世紀(jì)50年代,以計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),Charney等人的成功試驗(yàn)開始,1956年,瑞典首先開始數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)試驗(yàn)。1958年,美國也開始數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。1959年,德國試驗(yàn)原始方程模式。1962年,出現(xiàn)了3層準(zhǔn)無輻散模式。1966年,美國開始原始方程模式業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。1978年,歐洲中心(ECMWF)成立,引進(jìn)GFDL格點(diǎn)模式,1983年建立起自己的譜模式系統(tǒng)。1954年,Silberman(美)提出了譜模式的概念。1966年,快速FFT實(shí)現(xiàn)。使譜模式成為可能。1970年,Machenhauer提出譜轉(zhuǎn)換技術(shù)。解決了譜模式最后一個(gè)困難。1980年,原始方程譜模式開始模式業(yè)務(wù)運(yùn)行。譜方法——淺水波模式ECMWF(1)

全球譜模式

T63L16(1983年)—>T106L19(1986年)—>T213L31(1991年)—>T319L31(1998年)—>T319L50(1999年)—>T511L60(2001年)可用預(yù)報(bào)時(shí)效7-7.5天

分析同化

OI分析、間歇同化(1987年)—>3DVAR同化(1996年)—>4DVAR同化(1998年)

NOAA/NESDIS的TOVSradiance(cloud-clearradiance)

資料用于分析同化業(yè)務(wù)ECMWF(2)

集合預(yù)報(bào)(EPS)業(yè)務(wù)

奇異向量方法生成初值,T159L31模式,50個(gè)樣本EPS計(jì)劃試驗(yàn)Multi-model的集合(用EC、英國和德國模式)試驗(yàn)Perturbedmodelphysics的集合增加集合成員—

60個(gè),增加模式分辨率向量并行機(jī)(1996—)FUJITSU-VPP700(116個(gè)處理機(jī),2.2Gflops/processure)VPP5000已安裝(38個(gè)處理機(jī),9.6Gflops/processure)

美國(1)

全球同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(MRF)

業(yè)務(wù)模式T126L28—T170L42(2000.1)(80KM)

—T254L42(2002.7)

可用預(yù)報(bào)時(shí)效6-7天分析同化方案

SSI(3DVAR)

TOVS(rawradiance)資料

GOES第8、9通道的可降水量資料近一兩年主要工作

改進(jìn)模式初值、物理過程進(jìn)行模式程序的分布式并行

美國(2)

中尺度區(qū)域模式系統(tǒng)(ETA)

格點(diǎn)模式(32KM/45層,10KM/45層)同化分析方案

3DVAR同化

TOVS厚度資料、GOES第8、9通道的可降水量云導(dǎo)風(fēng)資料、SSM/I地面風(fēng)資料近一兩年主要工作

改進(jìn)模式初值、動(dòng)力和物理過程(階梯地形、時(shí)間插分、土壤過程、云物理等)以及ETA模式的并行化

美國(3)

集合預(yù)報(bào)

中期17個(gè)成員,增長模繁殖法,MRF模式短期25個(gè)成員,增長模繁殖法,ETA模式(80KM)對(duì)集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)釋用(MOS法,作極端溫度預(yù)報(bào))開發(fā)工作

NCEP、NCAR、FSL、CAPS聯(lián)合發(fā)展“下一代風(fēng)暴尺度的中尺度模式系統(tǒng)”(WRF,WeatherResearchandForecastingmodel)

正在發(fā)展4DVAR同化方案日本(1)

全球譜模式(GSM)T213L30(96年業(yè)務(wù)),3DVAR同化(99年業(yè)務(wù))正在研究試驗(yàn)GPS(可降水)資料的同化遠(yuǎn)東區(qū)域譜模式ASM(20KM,36層)在ASM基礎(chǔ)上形成了一個(gè)10KM分辨率的VeryShort-RangeForecastSystem,在06和18點(diǎn)作預(yù)報(bào)正在發(fā)展一個(gè)新的區(qū)域模式(非靜力)日本(2)

臺(tái)風(fēng)模式(TYM)40KM,15層(可報(bào)雙臺(tái)風(fēng))非對(duì)稱臺(tái)風(fēng)BOGUS

中期集合預(yù)報(bào)(EPS)試驗(yàn)17個(gè)成員,增長模繁殖法,T63L30模式

NWP產(chǎn)品釋用卡門濾波法對(duì)NWP地面風(fēng)向、風(fēng)速預(yù)報(bào)進(jìn)行釋用(制作842個(gè)觀測站預(yù)報(bào))英國

統(tǒng)一模式(格點(diǎn))

全球0.55°lat0.833°lon,=30

有限區(qū)

0.442°lat

0.442

°lon,=30

中尺度0.15°lat

0.15

°lon,=383DVAR同化(98年下半年業(yè)務(wù))

使用TOVS溫度和水汽資料正在發(fā)展非靜力版本的格點(diǎn)模式(NewDynamics)

加拿大(1)

全球環(huán)境多尺度模式(GEM,格點(diǎn)模式)

T199L21——0.9°均勻經(jīng)緯格點(diǎn)、28層

3DVAR同化區(qū)域模式(GEM用于有限區(qū)域)

變網(wǎng)格中心區(qū)0.33°(35KM),28層

3DVAR同化非靜力版本正在試驗(yàn)中-尺度(GEM用于局部區(qū)域)

0.033°-0.0033°(3.6KM-360M)

加拿大(2)

集合預(yù)報(bào)(EPS)

MonteCarlo方法生成初值(16-32個(gè)樣本)

T95L21模式

UMOS(UpdateableMOS)

用新舊資料混合來建模,制作極端溫度預(yù)報(bào)研究開發(fā)

SSM/I可降水量、NOAA/NESDIS的TOVS(cloud-clearradi

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