面向GRAPES_GFS全球预报系统研发的检验评估工具

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1 区域模式 2013 年计算能力及基本表现简报 引言 : 在区域模式统一检验工作的支持之下, 数值预报中心模式检验科针对八个区域中心的模式预报性能做了数年的检验评估工作, 重点监控和评估了各中心业务模式的综合性能 通过近年的基础设施 ( 计算性能等 ) 的提升, 模式的不断升级, 其模式产品的综合预报能力已有了较大提升 本文主要针对各区域中心近期的计算能力 模式升级及性能改进三方面内容, 综合简述各区域中心业务模式的改进状况 1. 计算性能 1.1 华南 ( 广州 ) 2013 年广州的业务系统仍然在广东省气象局 IBM (11 个节点 *32CPU) 和东莞 IBM 计算机上运行 (9 个节点 *32CUPU), 运算能力都是 1.2T 1.2 华北 ( 北京 ) 2013 年华北地区的业务计算能力未做升级, 依然采用 IBM 服务器, 计算节点 80 个, 计算能力 10T 1.3 华东 ( 上海 ) 华东地区业务计算采用 IBM 服务器 (TITANS), 计算性能 :CPU 核心 1568 个, 计算能力 32T, 计算存储 80TB, 网络速度 56G 1.4 华中 ( 武汉 ) 目前华中区域业务数值预报系统 WRF/3D 的运行机器为曙光 4000A 高性能计算机, 有 13 个计算节点保障业务运行, 每个节点 48 个 CPU, 计算浮点峰值可达 12 万亿次, 编译环境 PGI, 并行环境为 MPI 并行, 每日通过 crontab 命令定时启动作业 截止当前, 本区域计算性能还没有做提升改动 1.5 西南 ( 成都 )

2 由信息中心承担的四川省气象局 IBM PureFlex P460 高性能计算机系统建设工作, 于 2013 年 9 月完成了系统平台 ( 包括系统软硬件 ) 的建设工作 该系统是刀片式高性能集群系统, 系统计算节点浮点峰值能力为 万亿次 / 秒, 内存容量为 3.5TB, 可用存储容量为 52.34TB, 所有节点之间通过 Infiniband 网络高速互联, 采用 64 位 AIX 操作系统, 文件系统采用 GPFS 并行文件系统, 资源管理和作业调度系统采用 IBM loadleveler 软件系统 1.6 西北 ( 兰州 ) 安装 SGI 服务器, 采用 64 位红帽子 linux 操作系统,Intel 编译器 计算峰值 :6000 亿次 数据存储空间共 3.0T, 目前已经使用 2.0T, 定期采取手动清理的方式进行清理 ; 采用 NUMAflex 体系结构配备 20 个 1.3 GHz 英特尔 Madison 处理器, 具有 48 GB 共享内存, 各种软件如 NETCDF Ncarg NCL RIP4 GRADS 等模式需要的软件均已经安装 1.7 东北 ( 沈阳 ) 由原来 2010 年的 IBM1600(2.56T flops) 更新到 2013 年的 75T 高性能计算机, 原计算节点 40 个, 采用 CPU 为 POWER6, 当前计算节点 80 个, 采用 CPU 型号为 POWER7 1.8 乌鲁木齐计算资源升级, 升级前采用 SGI 服务器, 模式运行计算节点 16 个, 总核数 32 个, 计算峰值 2000 亿 / 秒 升级后采用 IBM 服务器, 模式运行计算节点 32 个, 总核数 512 个, 计算峰值 11.8 万亿 / 秒 2. 模式改进 2.1 华南 ( 广州 ) 广州台风业务模式 (GRAPES_MESO)2013 年主要改动有 : 对流微物理及与动力过程耦合 ; 模式高阶 SISL 积分方案的研究 ; 地形重力波拖曳与阻塞流拖曳 ; 海洋边界层与海洋飞沫参数化 并经测试, 主要改动均表现出明显正效果 通过台风业

3 务预报模式的升级, 台风路径预报明显改进,48 小时路径误差已经由 2010 年的 221km, 逐年减少至 2013 年的 130km(2011 年 184km,2012 年 176km) 2.2 华北 ( 北京 ) BJRUCv2.0 系统正式业务化运行, 模式分辨率 3km, 同化了雷达资料并对物理过程进行了优选, 更新了华北区域城市地表类型 2013 年 1 月 24 日通过预报司业务准入,3 月 4 日正式业务运行 相对于 1.0 版本具体优化如图 : 主要的研发进展有 : 雷达资料的四维变分同化 华北地区地基 GPS 资料同化 增量空间滤波的背景场混合 UCM 与 WRF 模式的耦合 2.3 华东 ( 上海 ) 开发了新 9km 模式, 区域覆盖中国地区, 较原版本范围扩大近 1 倍 2.4 华中 ( 武汉 )

4 目前采用 WRFV3.4/3D, 三重嵌套 (27km,9km,3km), 垂直 45 层, 层顶 30hPa, 其主要物理过程设置如下 :WSM6 显式微物理方案 ;Kain-Fritsch(new Eta) 积云参数化方案 (3km 区域无积云参数化方案 );YSU 边界层方案 ;RRTM 长波辐射方案 ;Goddard 短波辐射方案 ; 辐射方案每 15 分钟计算一次 ;Noah LSM 陆面模式 WRF/3D 系统根据其背景场来源可分为一次冷启动 两次热启动三个循环同化预报过程 其中, 冷启动预报为第一个预报循环, 该循环以起报时间之前 12h 的全球模式 NCEP GFS( ) 数据作为同化的背景场, 第二个热启动预报是在冷启动 6h 预报场基础上进行同化分析, 第三次热启动预报利用第二次热启动的 6h 预报场作为背景场进行同化, 再进行 84h 的预报 目前系统每天起报时间分别是 00:00UTC 和 12:00UTC, 共两次 目前该系统同化的观测资料包括 : 常规探空 (sound) 常规地面(synop) 船舶/ 浮标 航空 小球探空飞机报 卫星测厚等全球观测资料 为了进一步改进提升模式预报效果, 从四个方面对模式进行了改进试验 :1. 边界层参数化方案敏感性试验 ;2. 地面观测资料同化试验 ;3. 背景误差协方差矩阵的统计研究 ;4. 雷达反射率同化个例试验 但改进试验结果目前还没有加入到模式中 2.5 西南 ( 成都 ) 在模式改进研究中考虑加入地形重力波拖曳效果的影响 采用 WRF 模式, 在模式改进研究中, 主要研究了加入地形重力波拖曳效果进行了数值实验, 结果表明, 其在形势场和风场上略有优势, 但在降水模拟中未体现出明显优势 2.6 西北 ( 兰州 ) 兰州业务运行的模式如下图所示 :

5 在模式研究进展中, 主要体现在同化了常规地面 3 小时观测资料, 逐小时地面自动站资料和 12 小时常规高空观测资料 建立了本地传输业务流程, 完成了插值到 EC 分析场 0.5 度分辨率的区域模式产品上传流程 利用 WRF 模式, 对影响近地面风速模拟较为重要的边界层参数化及陆面过程参数化进行不同的配置, 进行局地参数优化 2.7 东北 ( 沈阳 ) 更新 WRF3.5 版本, 建立 ADAS 同化系统, 同化资料类型 ( 常规观测资料 雷达 资料 卫星资料 ) 区域模式实现东北地区 3km, 辽宁 1km 分辨率 具体改动如下 : 利用 ADAS 同化系统与 WRFDA 进行了实验对比, 发现在部分降水强度阈值下 体现出优势

6 2.8 乌鲁木齐 升级 GRAPES_MESOv3.3 模式, 升级前为 V3.0 版本, 升级前分辨率 15km, 升级 后分辨率为 10km, 升级前格点数 , 升级后各点数 国家气象中心模式切换 2013 年 6 月 5 日,GRAPES_MESO 进行切换, 由 3.0 版本切换到 3.3 版本 3. 性能评估 3.1 降水等近地面要素预报评估从 6 小时降水检验的 TS 技巧评分上看 (2013 年 1 月 1 日 年 11 月 10 日 ), 华北地区模式对上半夜降水预报效果较好 ; 东北地区模式对 00 和 12UTC 观测的降水预报相对较好 ; 华东模式对中雨以上量级预报优势明显 ; 除 6 小时以外, 华南模式优势均明显 ; 华中模式对较大量级降水及夜雨预报较好 ; 西南地区对于小雨预报较好 ; 西北模式的预报表现差于国家气象中心的 GRAPES 区域模式 ; 而乌鲁木齐模式除个别较大量级降水外, 均差于国家气象中心的 GRAPES 区域模式 从 3 小时降水技巧评分上看, 华东模式白天小雨预报较好, 晚上略差, 针对较大量级降水预报较好 ; 华北模式对短期临近预报的效果较好 ; 东北模式对较长时效的预报效果较好 ; 华南模式 6 小时以内的降水预报略差于国家气象中心的 GRAPES 区域模式, 其它时段均略好 ; 华中模式大雨以上量级表现较好 从 24 小时及 48 小时,2 米温度预报均方根误差分析上看, 除西北及乌鲁木齐模式外, 其它模式均相对国家气象中心的 GRAPES 区域模式有较好的表现 西北模式在 24 小时变现略差, 但评估结果未通过显著性检验,48 小时表现则强于国家气象中心的 GRAPES 区域模式 综上所述,2013 年区域模式预报表现多比较好, 华东 华南 华中模式温度和降水预报效果相对数值预报中心均较好, 华北 东北 西南模式温度预报较好, 降水也有自己的特色, 西北和乌鲁木齐模式表现稍差 3.2 等压面要素预报评估 华北地区高度场 (500hPa) 在年初均方根误差较为明显,4 月以后误差减弱,

7 相对国家气象中心 GRAPES 区域模式有改进 温度场相对 NMC 模式改进明显, 但夏季误差依然增大明显, 其中华北模式可达 3K,NMC 模式达到 4.5K 左右 高层 (250hPa) 风场相对 NMC 模式误差偏大,5 月后偏大明显 西南模式高度场 (500hPa) 与 NMC 模式基本一致, 其 24 小时预报相对 48 小时预报误差减弱不明显 ; 温度场高低层均较 NMC 模式表现出较大优势, 其均方根误差保持在 1K 左右, 而 NMC 达到 2K 以上 ; 高层风场改进明显, 前半年改进相对更为显著 华南模式高度场均方根误差基本相当, 温度场相对于 NMC 模式 48 小时改进较为明显, 高层风场有较大改进,NMC 模式 250hPa 均方根误差 4 月前达到 10m/s 以上, 而华南模式在 8m/s 一下 西北模式 1-6 月表现较差, 其高度场均方根误差已达 60 米以上, 明显超出合理范围,850hPa 温度场误差也偏大明显,48 小时预报在 3 月达到 9K 左右, 高低层风场预报也相对 NMC 模式偏差明显 华东模式 500hPa 高度场 48 小时预报相对 NMC 改进明显, 高低层温度场改进在 0.5K 以上, 相对应, 风场改进也非常明显, 其 4 月以后的 48 小时预报的风场均方根误差已经与 NMC 模式 24 小时风场误差相当 东北模式高度场均方根误差在 5 月偏大明显,48 小时预报最大已达 45 米左右 而其他时段的误差也相对 NMC 模式偏大 温度场低层相对 NMC 模式有改进, 但高层则改进不明显 高层风场误差偏大, 特别是 5 月高层风场的均方根误差已达 15m/s 以上, 较 NMC 模式 (11m/s) 偏大较多 华中模式高度场预报在 4 月以后相对 NMC 模式改进明显, 对应温度场预报, 在高低层均有较好表现 高低层风场预报在 6 月前有改进, 后半年则与 NMC 模式基本相当 乌鲁木齐模式高度场预报全年相对 NMC 模式有改进, 温度场预报在 4 月以前相对 NMC 模式改进较大 但年底资料存在问题, 检验效果在 8 月以后有所降低

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