2021年7月17—22日河南省发生了一次历史罕见的持续性强降水,造成了巨大的经济损失。目前极端降水预报仍是次季节气候预测研究的热点和难点。区域气候模式有着比全球模式更精细的空间分辨率和更为完善的物理过程参数化方案,为进一步提...2021年7月17—22日河南省发生了一次历史罕见的持续性强降水,造成了巨大的经济损失。目前极端降水预报仍是次季节气候预测研究的热点和难点。区域气候模式有着比全球模式更精细的空间分辨率和更为完善的物理过程参数化方案,为进一步提高中国次季节降水预报能力提供了新途径。使用区域气候模式CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国气象局全球气候模式次季节预测系统CMA_CPSv3(China Meteorological Administration Climate Prediction System version 3)的预报结果进行中国区域动力降尺度,分析了CWRF和CMA_CPSv3模式对河南省2021年7月17—22日持续性强降水的预测效果。结果表明,区域模式和全球模式预报的降水空间分布和量级存在明显差异。尽管两个模式都低估了此次强降水过程的降水量,但总体上CWRF模式预报的降水量更大且更好地捕捉到了降水的空间分布。CWRF模式自6月26和29日起报的降水预报明显好于同一起报日CMA_CPSv3模式的预报结果。与CMA_CPSv3预报相比,CWRF显著地改善了东亚低空风场和低空急流的预报。CWRF对低空急流和水汽通量输送方向的改善尤为明显,预报的水汽在山脉的迎风坡辐合,为降水提供了有利的水汽条件。同时CWRF更好地预报了郑州上空的垂直上升运动,这些改善都有利于CWRF模式对降水有更高的预报技巧。展开更多
从资料分析和实际模拟两个方面,对中国区域气候模拟中的首要问题——模拟区域的选取进行了研究。首先,采用相关分析确定大尺度环流因子影响中国区域降水的关键区,以保证行星及天气尺度系统能够有效地通过区域气候模式的侧边界传入模拟区...从资料分析和实际模拟两个方面,对中国区域气候模拟中的首要问题——模拟区域的选取进行了研究。首先,采用相关分析确定大尺度环流因子影响中国区域降水的关键区,以保证行星及天气尺度系统能够有效地通过区域气候模式的侧边界传入模拟区域,同时依靠自身的物理机制使中尺度系统在模拟区域内部发展;其次,利用NRA(NCEP-NCAR Reanalysis II)和ERA(ECMWF Reanalysis 40)两再分析资料的相关性,对侧边界场资料的可信性进行分析,结果表明南部赤道洋面附近和青藏高原地区两种再分析资料的相关系数很低,表明资料的可信度低,因此侧边界的位置要尽量避开这些地区。根据以上分析结果,确定了中国区域气候模拟的最佳区域,在此基础上利用实际个例模拟对模拟区域的优化结果进行验证。将美国伊利诺伊州立大学水文研究所开发的CWRF(Cli-mate-Weather Research and Forecasting Model)应用于中国季风区,选取1998年夏季的极端洪涝事件作为验证个例,结果表明:模拟区域对区域气候模式的模拟性能有决定性的作用,资料分析确定的最佳模拟区域能够较好地再现1998年长江流域的极端洪涝事件。当模拟区域扩大,南部缓冲区位于赤道,东西侧边界远离环流因子影响关键区时,模拟结果急剧下降,基本无法再现实测降水。当模拟区域仅在东西方向扩大时,模拟结果略好于上述扩大的区域,但仍然远低于资料分析确定的最佳区域,表明有效地抓住主控环流因子对区域气候模拟的重要影响。资料分析和实际模拟的一致结论确定了中国区域气候模拟的最佳区域,实现了CWRF对中国季风区模拟区域的优化。展开更多
利用CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)对国家气候中心BCC_CSM1.1m业务预测模式短期气候预测结果进行中国区域降尺度,并使用1991—2010年3—8月逐日气温降水观测数据评估预测能力。结果表明:CWRF预测地面2 m气...利用CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)对国家气候中心BCC_CSM1.1m业务预测模式短期气候预测结果进行中国区域降尺度,并使用1991—2010年3—8月逐日气温降水观测数据评估预测能力。结果表明:CWRF预测地面2 m气温、降水气候平均态的空间分布比BCC_CSM1.1m更接近观测,分布误差更小;在保持总体技巧不低于BCC_CSM1.1m的同时,CWRF对我国华东和华中地区的降水年际变化预测准确率更高;对不同强度的降水预测CWRF表现均优于BCC_CSM1.1 m模式,尤其在极端降水预测准确率上更优。总之,得益于更高的空间分辨率和优化的低空物理过程模拟,CWRF降尺度可以提高中国夏季跨季度降水预测能力。展开更多
利用1980—2015年6—8月我国逐日降水观测数据评估CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)多种参数化方案对我国夏季日降水的模拟能力,并考察累积概率变换偏差订正法(CDFt)的订正效果通过将广义帕累托分布(GPD)引入...利用1980—2015年6—8月我国逐日降水观测数据评估CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)多种参数化方案对我国夏季日降水的模拟能力,并考察累积概率变换偏差订正法(CDFt)的订正效果通过将广义帕累托分布(GPD)引入到偏差订正模型中,提出针对极端降水的累积概率变换偏差订正法(XCDFt),检验和评估其对极端降水订正的适用性。结果显示:CWRF模式微物理过程选用Morrison-aerosol参数化方案组合对我国降水场的模拟较好,CDFt订正效果良好;XCDFt偏差订正模型能够较好地提取模式建模与验证时期变化信号,订正后相比订正前与观测极端降水的概率分布更为接近;经过XCDFt订正后华南、华中和华北地区20年一遇的极端降水重现水平较模拟值更接近观测值,可为CWRF模式提高极端降水的业务预测水平提供参考。展开更多
利用CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国区域气候的31 a多物理集合模拟试验,分析了该模式对青藏高原气温和降水的模拟效果及其对水平分辨率和物理过程参数化方案的敏感性。结果表明:1)CWRF降尺度全面改善了全...利用CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国区域气候的31 a多物理集合模拟试验,分析了该模式对青藏高原气温和降水的模拟效果及其对水平分辨率和物理过程参数化方案的敏感性。结果表明:1)CWRF降尺度全面改善了全球模式对高原气温和降水的模拟,使气温年循环的均方根误差减小近1℃,月降水量年循环的均方根误差减小10~40 mm,同时显著提高了各月气温和降水与实测资料年际变化的相关系数,最高提升0.6;2)模式分辨率对降水模拟有显著影响,不同分辨率模拟降水差异高达60 mm(54%),模拟偏差随分辨率提高先降低后上升,转折在30 km左右;3)物理过程参数化方案对气温和降水模拟影响显著,不同方案模拟的各月平均气温相差1~4℃,夏季各月降水量相差20~100 mm,其中对气温模拟影响最大的是辐射方案,对降水影响最大的是积云方案。本文为CWRF局地优化对物理参数化及水平分辨率等如何选择提供了依据。展开更多
基于1980-2015年6-8月CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)14种方案的模拟结果和全国逐日降水观测资料,对比了Q-lin,Q-tri,RQ-lin,RQ-tri,SSP-lin和CDFt 6种误差订正方法对CWRF模式控制化方案(C1)模拟中国东部夏...基于1980-2015年6-8月CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)14种方案的模拟结果和全国逐日降水观测资料,对比了Q-lin,Q-tri,RQ-lin,RQ-tri,SSP-lin和CDFt 6种误差订正方法对CWRF模式控制化方案(C1)模拟中国东部夏季日极端降水的订正效果,以CWRF模式14种方案日极端降水的模拟效果排名为基础,对比了模拟效果较好的4种方案集合、模拟较差的4种方案集合以及14种方案集合的订正效果,选出相对较好的订正方案进一步评估其成员集合后订正和成员分别订正后再集合的订正效果,结果表明:采用6种误差订正方法均可明显减少日极端降水模拟误差,其中RQ-lin方法订正效果最佳。CWRF模式对中国东部的极端降水指数均表现出较好的模拟能力,不同参数化集合方案得到14种方案成员先订正再集合与观测日极端降水平均值最为接近,研究结果对于改进模拟结果、提高其预测能力有重要应用价值。展开更多
区域气候模式CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)是国家气候中心区域气候预测系统的重要组成部分,也是系统最耗时的程序。高性能计算是提高CWRF数值预报计算性能的关键技术,开展CWRF模式在国产神威众核架构上的移植...区域气候模式CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)是国家气候中心区域气候预测系统的重要组成部分,也是系统最耗时的程序。高性能计算是提高CWRF数值预报计算性能的关键技术,开展CWRF模式在国产神威众核架构上的移植和优化,提高模式的模拟效率,对模式的扩展、开发能力和可持续发展具有重要意义。基于国产众核SW26010处理器,完成了CWRF区域气候模式的移植、性能分析和深入性能优化,采用访存优化、Cache命中率优化及众核加速优化等方法,对CWRF模式动力过程、物理过程和I/O过程计算代码进行重构及众核加速。结果表明:优化技术可使CWRF动力过程平均加速2倍,最高加速6.4倍,物理过程平均加速1.7倍,最高加速5.4倍,I/O过程加速1.2倍,程序整体最高加速1.4倍,计算误差在合理范围内。展开更多
误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料,对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数...误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料,对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数再订正降水量(COR)三种订正方法,先订正再等权重集成和先等权重集成再订正两种订正思路,重点对1997—2015年华中和华南地区夏季日降水进行订正效果的对比。结果表明:(1)降水日的订正是必要的,综合而言COR方法对CWRF模式日降水的订正效果更佳,尤其是小量级降水,但降水强度的表现不如OCM;(2)先集成后订正的效果更好;(3)CWRF模式不同参数化方案对日降水的模拟能力有显著差别,经过订正后模拟能力均有所提升,但对于不同的模拟方案,其订正效果也不同。表明,误差订正确实能有效提高模式模拟及预报性能,但其效果存在不确定性。提高模式的预报性能,关键还是提高模式对真实大气动力学的表述能力。展开更多
基于CWRF模式(Climate Extension of Weather Research and Forecast Model)结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现:CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热...基于CWRF模式(Climate Extension of Weather Research and Forecast Model)结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现:CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。展开更多
文摘2021年7月17—22日河南省发生了一次历史罕见的持续性强降水,造成了巨大的经济损失。目前极端降水预报仍是次季节气候预测研究的热点和难点。区域气候模式有着比全球模式更精细的空间分辨率和更为完善的物理过程参数化方案,为进一步提高中国次季节降水预报能力提供了新途径。使用区域气候模式CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国气象局全球气候模式次季节预测系统CMA_CPSv3(China Meteorological Administration Climate Prediction System version 3)的预报结果进行中国区域动力降尺度,分析了CWRF和CMA_CPSv3模式对河南省2021年7月17—22日持续性强降水的预测效果。结果表明,区域模式和全球模式预报的降水空间分布和量级存在明显差异。尽管两个模式都低估了此次强降水过程的降水量,但总体上CWRF模式预报的降水量更大且更好地捕捉到了降水的空间分布。CWRF模式自6月26和29日起报的降水预报明显好于同一起报日CMA_CPSv3模式的预报结果。与CMA_CPSv3预报相比,CWRF显著地改善了东亚低空风场和低空急流的预报。CWRF对低空急流和水汽通量输送方向的改善尤为明显,预报的水汽在山脉的迎风坡辐合,为降水提供了有利的水汽条件。同时CWRF更好地预报了郑州上空的垂直上升运动,这些改善都有利于CWRF模式对降水有更高的预报技巧。
文摘从资料分析和实际模拟两个方面,对中国区域气候模拟中的首要问题——模拟区域的选取进行了研究。首先,采用相关分析确定大尺度环流因子影响中国区域降水的关键区,以保证行星及天气尺度系统能够有效地通过区域气候模式的侧边界传入模拟区域,同时依靠自身的物理机制使中尺度系统在模拟区域内部发展;其次,利用NRA(NCEP-NCAR Reanalysis II)和ERA(ECMWF Reanalysis 40)两再分析资料的相关性,对侧边界场资料的可信性进行分析,结果表明南部赤道洋面附近和青藏高原地区两种再分析资料的相关系数很低,表明资料的可信度低,因此侧边界的位置要尽量避开这些地区。根据以上分析结果,确定了中国区域气候模拟的最佳区域,在此基础上利用实际个例模拟对模拟区域的优化结果进行验证。将美国伊利诺伊州立大学水文研究所开发的CWRF(Cli-mate-Weather Research and Forecasting Model)应用于中国季风区,选取1998年夏季的极端洪涝事件作为验证个例,结果表明:模拟区域对区域气候模式的模拟性能有决定性的作用,资料分析确定的最佳模拟区域能够较好地再现1998年长江流域的极端洪涝事件。当模拟区域扩大,南部缓冲区位于赤道,东西侧边界远离环流因子影响关键区时,模拟结果急剧下降,基本无法再现实测降水。当模拟区域仅在东西方向扩大时,模拟结果略好于上述扩大的区域,但仍然远低于资料分析确定的最佳区域,表明有效地抓住主控环流因子对区域气候模拟的重要影响。资料分析和实际模拟的一致结论确定了中国区域气候模拟的最佳区域,实现了CWRF对中国季风区模拟区域的优化。
文摘利用CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)对国家气候中心BCC_CSM1.1m业务预测模式短期气候预测结果进行中国区域降尺度,并使用1991—2010年3—8月逐日气温降水观测数据评估预测能力。结果表明:CWRF预测地面2 m气温、降水气候平均态的空间分布比BCC_CSM1.1m更接近观测,分布误差更小;在保持总体技巧不低于BCC_CSM1.1m的同时,CWRF对我国华东和华中地区的降水年际变化预测准确率更高;对不同强度的降水预测CWRF表现均优于BCC_CSM1.1 m模式,尤其在极端降水预测准确率上更优。总之,得益于更高的空间分辨率和优化的低空物理过程模拟,CWRF降尺度可以提高中国夏季跨季度降水预测能力。
文摘利用1980—2015年6—8月我国逐日降水观测数据评估CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)多种参数化方案对我国夏季日降水的模拟能力,并考察累积概率变换偏差订正法(CDFt)的订正效果通过将广义帕累托分布(GPD)引入到偏差订正模型中,提出针对极端降水的累积概率变换偏差订正法(XCDFt),检验和评估其对极端降水订正的适用性。结果显示:CWRF模式微物理过程选用Morrison-aerosol参数化方案组合对我国降水场的模拟较好,CDFt订正效果良好;XCDFt偏差订正模型能够较好地提取模式建模与验证时期变化信号,订正后相比订正前与观测极端降水的概率分布更为接近;经过XCDFt订正后华南、华中和华北地区20年一遇的极端降水重现水平较模拟值更接近观测值,可为CWRF模式提高极端降水的业务预测水平提供参考。
文摘利用CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国区域气候的31 a多物理集合模拟试验,分析了该模式对青藏高原气温和降水的模拟效果及其对水平分辨率和物理过程参数化方案的敏感性。结果表明:1)CWRF降尺度全面改善了全球模式对高原气温和降水的模拟,使气温年循环的均方根误差减小近1℃,月降水量年循环的均方根误差减小10~40 mm,同时显著提高了各月气温和降水与实测资料年际变化的相关系数,最高提升0.6;2)模式分辨率对降水模拟有显著影响,不同分辨率模拟降水差异高达60 mm(54%),模拟偏差随分辨率提高先降低后上升,转折在30 km左右;3)物理过程参数化方案对气温和降水模拟影响显著,不同方案模拟的各月平均气温相差1~4℃,夏季各月降水量相差20~100 mm,其中对气温模拟影响最大的是辐射方案,对降水影响最大的是积云方案。本文为CWRF局地优化对物理参数化及水平分辨率等如何选择提供了依据。
文摘基于1980-2015年6-8月CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)14种方案的模拟结果和全国逐日降水观测资料,对比了Q-lin,Q-tri,RQ-lin,RQ-tri,SSP-lin和CDFt 6种误差订正方法对CWRF模式控制化方案(C1)模拟中国东部夏季日极端降水的订正效果,以CWRF模式14种方案日极端降水的模拟效果排名为基础,对比了模拟效果较好的4种方案集合、模拟较差的4种方案集合以及14种方案集合的订正效果,选出相对较好的订正方案进一步评估其成员集合后订正和成员分别订正后再集合的订正效果,结果表明:采用6种误差订正方法均可明显减少日极端降水模拟误差,其中RQ-lin方法订正效果最佳。CWRF模式对中国东部的极端降水指数均表现出较好的模拟能力,不同参数化集合方案得到14种方案成员先订正再集合与观测日极端降水平均值最为接近,研究结果对于改进模拟结果、提高其预测能力有重要应用价值。
文摘区域气候模式CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)是国家气候中心区域气候预测系统的重要组成部分,也是系统最耗时的程序。高性能计算是提高CWRF数值预报计算性能的关键技术,开展CWRF模式在国产神威众核架构上的移植和优化,提高模式的模拟效率,对模式的扩展、开发能力和可持续发展具有重要意义。基于国产众核SW26010处理器,完成了CWRF区域气候模式的移植、性能分析和深入性能优化,采用访存优化、Cache命中率优化及众核加速优化等方法,对CWRF模式动力过程、物理过程和I/O过程计算代码进行重构及众核加速。结果表明:优化技术可使CWRF动力过程平均加速2倍,最高加速6.4倍,物理过程平均加速1.7倍,最高加速5.4倍,I/O过程加速1.2倍,程序整体最高加速1.4倍,计算误差在合理范围内。
文摘误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料,对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数再订正降水量(COR)三种订正方法,先订正再等权重集成和先等权重集成再订正两种订正思路,重点对1997—2015年华中和华南地区夏季日降水进行订正效果的对比。结果表明:(1)降水日的订正是必要的,综合而言COR方法对CWRF模式日降水的订正效果更佳,尤其是小量级降水,但降水强度的表现不如OCM;(2)先集成后订正的效果更好;(3)CWRF模式不同参数化方案对日降水的模拟能力有显著差别,经过订正后模拟能力均有所提升,但对于不同的模拟方案,其订正效果也不同。表明,误差订正确实能有效提高模式模拟及预报性能,但其效果存在不确定性。提高模式的预报性能,关键还是提高模式对真实大气动力学的表述能力。
文摘基于CWRF模式(Climate Extension of Weather Research and Forecast Model)结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现:CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。
