华南1km高分辨率数值预报模式研发进展
Authors: CHEN Zi-tong(陈子通), DAI Guang-feng(戴光丰), WU Kai-xin(吴凯昕), ZHONG Shui-xin(钟水新), XU Dao-sheng(徐道生)
【文章摘要】
To support short-range weather forecasts, a high-resolution model (1km) is developed and technically upgraded in the South China Regional Center, including the improvement of the 3D reference scheme and the predictor-corrector method for semi-implicit semi-Lagrangian (SISL) in model dynamical core, as well as the improvement of physical parameterization. Furthermore, the multi-process parallel I/O and parallel nudging techniques are developed and have facilitated rapid updating in the assimilation prediction system and fast-output post processing process. The experimental results show that the improved 3D reference scheme and upgraded physic schemes can effectively improve the prediction accuracy and stability with a longer integration time step. The batch test shows that the precipitation forecast performance of 1-km model is significantly better than that of 3-km model. The 1-km model is in operation with a rapidly updating cycle at 12-minute intervals, which can be applied to short-range forecasts and nowcasting.
1、研究背景
中国南方地区天气复杂多变，特别是在汛期时，强对流天气事件频发，仅靠常规每天两次的模式预报，很难满足业务需求。针对强对流天气系统的生命周期短且空间尺度较小的特点，发展高时空分辨率的业务预报模式很有必要。基于多方考虑与测试，决定发展1km尺度高分辨率数值预报模式。定位于分钟级快速更新，通过快速同化雷达、卫星等稠密资料及时更新模式初值，制作强天气短临预报。
2、技术难点
相比粗分辨率模式，建立1km高分辨率数值预报模式有几个技术难点需要克服。其一，1km模式非静力平衡分量显著增大，特别是在边界层附近，为此对模式动力框架部分技术方案进行优化，以减少预报误差；其二，1km模式强对流降水物理过程容易产生更多扰动，需优化部分方案，并考虑物理过程与动力过程同步求解耦合，以减少模式误差；其三，1km模式计算量大，时效性要求高，模式需要在短时间内完成积分，系统需要能快速同化最新观测，及时发布预报产品。
3、文章主要内容
本文介绍了研发1km高分辨率数值预报模式的主要技术方案，如：（1）通过进一步发展三维静力参考大气与迭代法半隐半拉格朗日相结合的模式框架，改进低层扰动提取，以及改进物理作用与模式动力过程耦合等，有效地克服了公里级模式由于垂直运动和小尺度扰动急剧增长等带来的问题；（2）开发多进程并行I/O、并行nudging等技术，提高模式运行效率和快速同化能力。论文中还介绍了模式近地层物理和微物理等方案的技术特点，可为模式研发和应用者提供参考。
论文最后简要介绍华南1km高分辨率数值预报模式的应用情况。预报系统实现了12分钟间隔快速更新，制作未来6小时预报，文中给出预报实例表明1km模式预报系统总体有效，可应用于短时、短临天气预报业务。
图1 华南1km高分辨率数值预报模式12分钟快速更新示意图
4、文章亮点
本文详细介绍了新近发展的华南1km高分辨率数值预报模式在物理过程、动力框架、前后处理、雷达资料同化等方面的改进，并初步评估了该模式对华南地区降水的预报性能，可为模式研发和应用者提供参考，同时为该模式的进一步推广应用提供坚实基础。
第一作者简介
陈子通，正研级高工，热带所数值模式团队首席，多年从事热带数值天气预报技术研究，在区域模式动力框架、物理过程等方面开展多项研究工作。近年来带领热带所数值模式团队成功研发了热带区域模式V1.0、V2.0 和V3.0版本，预报性能显著提升，并分别于2011年、2016年和2019年获中国气象局业务升级准入，在业务上发挥重要作用。主持或参加了国家级、省部级等相关课题10多项。获国家科技技术进步奖二等奖、中国气象学会气象科学技术进步成果奖二等奖和广东省科技技术进步二等奖等奖项。近年共发表与数值天气预报相关的论文30多篇。
For full text, please visit (全文链接): http://jtm.itmm.org.cn/en/article/doi/10.46267/j.1006-8775.2021.028
Citation (引用): CHEN Zi-tong, DAI Guang-feng, WU Kai-xin, et al. Development of 1km-Scale Operational Model in South China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2021, 27(4): 319-329, https://doi.org/10.46267/j.1006-8775.2021.028
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