全球区域同化预报系统的使用及其数值模拟

全球区域同化预报系统的使用及其数值模拟*陈建萍（江西省环境预报中心，江西，南昌，330046 ）摘 要：介绍了中国气象科学研究院数值预报中心自主开发的GRAPES V2.1数值模 式运行步骤，并利用该模式对2005年5月1日0607时在江西南昌市区出现的30mm/h 强降水过程，进行了数值模拟和诊断分析。结果发现，北方干冷空气南下，到达30 N 附近后，与南方暖湿空气在南昌市区上空低层形成交汇，促使暖湿空气沿着锋面迅速抬 升凝结，触发不稳定能量的释放，是造成南昌强降水产生的主要原因；GRAPES模式能很 好地模拟出高低空环流形势场特征和主要天气系统，能提供较准确的高分辨率诊断分析 资料。关键词：GRAPES模式强降水数值模拟诊断分析中图分类号：P456.7; P458.1+21文献标识码：A文章编号：1007-9033 （ 2005 ） 02-00023-041 GRAPES V2.1简介及模式运行1.1模式简介GRAPES （Global/Regional Assimilation and Prediction System） 全球区域同 化预报系统，是中国气象局负责研究开发的、研究与业务通用的数值天气预报系统。GRAPES系统是集常规与非常规变分同化、静力平衡与非静力平衡、全球与区域模式、科 研与业务应用、串行与并行计算、标准化与模块化程序、理想实验与实际预报等为一体， 中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系统。1.2 GRAPES V2.1模式的运行使用2005年4月29日20时的T213资料，以及2005年4月30日08时的探空资 料，对2005年4月30日08时一5月1日08时的暴雨过程进行数值模拟。1.2.1资料准备2005 年 4 月 29 日 20 时的 T 2 13 资料（BJ*.*）放在 grapes/data/9210_t213 目录 下，2005年4月30日08时的探空资料（*.ABJ）则放在grapes/data/9210_obs目录下。1.2.2探空资料预处理进入 grapes/grapes_3dv/preproc/9210_obs_proc/datatran，使用命令 pgf90 -o ptrans0.exe ptrans0.for 和 pgf90 -o ptranstp.exe ptranstp.for分别编译当前目录 下的ptrans0.for和ptranstp.for；成功编译后，将在当前目录下分别生成ptrans0.exe 和 ptranstp.exe 文件。然后使用命令 cat grapes/data/9210_obs/*.ABJ fn.dat 把 ABJ 文件连接成1个文件，执行后当前路径下会生成fn.dat。再在当前目录下把wsdat.dat 的时间修改为05042300。最后分别执行ptrans0.exe和ptranstp.exe,将在grapes/grapes_3dv/data/input/GTS 目录下生成 TEMP 文件。1.2.3 T213资料预处理首先进入 grapes/9210_t213_proc 目录，使用命令：9210_t213_proc.sh 2005042912 48 grapes/data/9210_t213/ grapes/T213_DATA/，对 T213 原始报文资料进行解码。 执行后将在grapes/T213_DATA目录下自动生成2005042912目录，并在该目录下生成T2132005042912、T2132OO5O42918T2132005050112 等 9 个文件。然后进入 grapes/grapes_3dv/preproc/9210_t213_proc 目录，修改 namelist.t213 中解码后T213资料的路径，即把record4中T 213_file的路径修改为grapes/T213_DATA/2005042212/T2132005042300。最后运行make编译当前目录下的文件，成功编译后将生成t213proc.exe文件；执 行 t213proc.exe 后，将在 grapes/grapes_3dv/data/input/backgrd 目录下生成以xb.dat命名的背景场。1.2.4分析系统编译连接及运行进入grapes/grapes_3dv/3dv/rundir,运行make_script脚本文件，编译整套分析 系统，成功编译后有可执行文件Grapes3dvar.exe生成。运行时首先要编辑当前目录下 的 namelist.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，根据需要指定分析的区域、分辨率、日期等参数，直接运行Grapes3dvar.exe。成功运行后，在grapes/grapes_3dv/data/output 目录下有形如 dxa2005043000.dat 和xa2005043000.dat的分析场生成。1.2.5主模式运行进入grapes/grapes_model_v2.1/run目录，把解码后的t213资料链接到当前目录 的 T213 下，即 ln -s grapes/T213_DATA/2005042912/T213* ./T213。然后返回 grapes/grapes_model_v2.0 目录，使用 compile grapes 命令运彳亍 compile 脚本文件， 编译安装整套模式系统。成功编译后，在grapes/grapes_model_v2.0/run目录下，有2个可执行文件（si.exe和grapes.exe）生成。再把grapes/grapes_3dv/data/output/xa2005043000.dat 的背景场资料拷到当前目录下，并把文件名修改为xa.dat。最后在当前目录grapes/grapes_model_v2.0/run/T使用go.go.9210命令提交作 业，即go.go.9210、积分步长、步数、多少次输出1次、起始年、起始月、起始日、 起始时、终止年、终止月、终止日、终止时、do_static_data=true或false、模式起 报时间。文中的个例模拟是使用命令：go.go.9210 600 144 4 2005 04 30 00 2005 0501 00 “.true.” 2005043000 来进行的。2个例分析2.1天气实况受地面弱冷空气南下和低层切变影响，2005年4月30日14时5月1日08时，江 西北部普降中到大雷阵雨，有16个县市遭受短时雷雨大风、强降水和冰雹天气袭击， 有3个县市出现暴雨。其中南昌市区自动站监测到南昌市区（28.6N、115.9E）5 月1日0607时出现了 30 mm / h的强降水天气。2.2模拟结果的诊断分析2.2.1地面形势分析从海平面气压场和地面流场分布图的演变可以看出，4月30日14时地面冷高压主 体位于45N、105E,中心气压值为1 014 hPa锋面呈NE-SW走向，到达河套南部 一带（图略）。20时冷高压中心南移到42N、109E,中心气压值增加到1 020 hPa, 冷锋前沿已移到江淮地区（图略）。到5月1日06时，冷高压中心南移到40N、110 ,中心气压值为1 025 hPa,冷锋前沿正好到达30N附近。此时南昌市区处于偏南 风和偏北风的风速辐合区（图1）。与实况地面天气图相比，GRAPES模式模拟出的冷空气南下并逐渐加强的过程、地面 风场结构以及冷锋位置，与实况都十分接近。图1 5月1日06时海平面气压场和地面 流场分布图2.2.2 低层切变分析从850 hPa等压面流场和等风速线分布图的演变可以看出，4月30日14时华南地 区已有西南急流形成，中心位于25N、110E,中心最大风速为16 m/s （图略）。 30日20时，西南急流略有加强，中心最大风速为18 m/s，急流中心向东北方向移动， 中心位于26N、112E（图略）。20时与08时的流场和等风速线明显不同的是，在 北方（36N、110E）有另一偏北风急流生成，急流中心最大风速达24 m/s （图略）。 到5月1日06时，西南急流中心位置没有移动，中心最大风速继续加强，为22m/s,而 偏北风急流中心明显向南移动，并到达32N、110E区域，风向转为东北风，急流中 心最大风速仍为24m/s，但范围明显增大（图2）。此时南昌市区处于西南急流和东北 急流的交汇区。与实况相比，GRAPES模式能很好地模拟西南急流的维持，并能模拟出4月30日20 时偏北风急流的形成、南下及风向的转变，但是模拟出的急流中心强度都偏大了很多（4 月30日20时实况图中西南急流强度为14 m/s,偏北风急流中心强度也只有16 m/s）。另外，从5月1日06时沿115.9E的水平风速经向分量（v）的垂直剖面图可以看出，低层900 hPa在35N附近为20 m/s的北风中心，27N附近为10 m/s的南风中心；南昌市区近地面的经向风速为零值，且零值线随高度向北逐渐倾斜，一直伸展到40N对流层顶（图3）。这说明西南急流带来了强降水必须的水汽，当冷锋南下时，造成动力抬升作用，触发不稳定能量的释放，产生强降水。100106E 108E 1iO 1126 1146* H6 118E 120EI图2 5月I日06时850 hPa等压面流场 和等风速线分布图图35月1日06时沿115.9E的水平风速经向分（v）的垂直剖面图2.2.3 850 hPa散度场和涡度场分析从850 hPa涡度场的演变可以看出，4月30日20时南昌上空散度还是零值区（图略）。到5月1日06时，出现了-3X10-5 s-1的辐合中心（图4a）。从850 hPa涡度场的演变可以看出，850 hPa涡度场与散度场分布较吻合，4月30日20时南昌上空涡度也为零值区（图略），到5月1日06时，南昌上空出现15X10-5 s-1的正涡度中心（图4b）。中低层的辐合上升运动，使大量的暖湿空气得到抬升凝结，从而产生了十分有利的降水条件。2.2.4垂直速度分析从低层925 hPa垂直速度场的演变可以看出，4月30日14时和20时，南昌上空的垂直速度还是0m/s （图略）。到5月1日06时，出现了 0.03 m/s的上升运动中心（图5）。从5月1日06时沿115.9E的垂直速度垂直剖面图也可以看出，南昌上空有2个 0.05 m/s的上升运动中心，分别位于850 hPa和400 hPa （图6）。WM 1OE Idtt 10 uoi uii 114E lltf HM IM15 0E“建 途图4 5月1日06时850 hPa涡度场（a）与散度场（b）图5 5月1日06时925 hPa垂直速度场图6 5月1日06时沿II5.9E的垂直速度垂直割面图2.2.5水汽条件分析从850 hPa水汽通量的演变可以看出，从4月30日14时、20时（图略）到5月1 日06时（图7），江南地区一直维持14 gsTcm-1hPaT的水汽通量大值区。从5月1日06时沿115.9E的水汽通量剖面垂直图也可以看出，1 000 hPa500 hPa，南昌都处于水汽通量正的输送区，水汽通量最大值出现在低层1 000 hPa，为18g-s-1-cm-1 hPa-1；水汽通量随高度逐渐降低，到500 hPa水汽通量降低到2gs-lcm-l,hPa-l (图 8)。图7 5月1日06时850hPa水汽通量图8 5月1日06时沿115.9oE850hPa水汽通量垂直剖面图3结语(1) GRAPES模式能很好地模拟出高低空环流形势和主要的影响天气系统，并能提供较准确的高分辨率诊断分析资料。(2) 北方干冷空气南下，到达30N附近后，与南方暖湿空气在南昌市区上空低层 形成交汇，促使暖湿空气沿着锋面迅速抬升凝结，触发不稳定能量的释放，造成南昌市区出现了强降水天气。(3) 仅使用GRAPES模式输出的基本量场对南昌市区出现的强降水进行了诊断分析，至于此次强降水是否还存在其它的内在因素，将在以后深入研究。参考文献1宗志平，刘文明.2003年华北初雪的数值模拟和诊断分析J.气象，2004, 30 (1): 3 8 .Application And Numeric SimulationOf Global Regional Assimilation Prediction System(GRAPES)CHEN Jian-ping(Environment Forecast Center of Jiangxi Province , Nanchang 330046 , China)Abstract: The running steps about GRAPESV2.1 developed by the Chinese academy of meteorological sciences are presented, and numeric simulation and diagnostic analysis for a heavy precipitation process 30mm per hour from 06 to 07 on May 21,2005 in Nanchang in Jiangxi is implemented. The result shows as follows: the dry and cold air come from north, and converged with warm and wet air from south in the low level of upper air in Nanchang city, and urged the warm and wet air rising and coagulating quickly, and resulted in the release of unstable energy, it was the primary reason for the heave rainfall in Nanchang city. The simulation that GRAPES mode can be very good produces the height circulation situation characteristic once and main weather system, can offer more accurate high-resolution to diagnose that analyse the materials.Key words: GRAPES model Heavy rainfall Numerical simulation Diagnostic analysis收稿日期：2005年05月12日作者简介：陈建萍（1974），男，工程师，硕士，主要从事中短期天气预报工作与研究。*本文受江西省科技计划项目“江西突发性强风暴天气监测和预警研究”、江西省气象局“省级中尺度灾害 性天气数值预报系统业务化应用研究”共同资助。