热带高分辨率模式技术方案及其系统预报性能

1 引 言

随着高性能计算机和数值天气预报技术发展，全球模式分辨率逐步提高，拓展了模式预报性能[1]。 当前欧洲中期数值天气预报中心（ECMWF）的全球模式水平格距已小于10 km，时间、空间分辨能力都有较大提高，有力地支持全球天气预报业务。借助全球模式高分辨率背景场，以及高分辨率模式技术的进步，区域数值天气预报已基本具备进行中小尺度天气业务预报的能力。近年来区域高分辨率模式进入快速发展时期，区域公里尺度模式已经进入实质业务应用，国际上一些发达国家已建立了水平格距1～3 km 区域数值天气预报系统，如英国气象局在统一模式[2]的框架下建立1.5 km 高分辨区域模式和2.2 km区域集合预报系统、法国气象局的1.3 km 高分辨区域模式和2.5 km 区域集合预报系统、德国的2.8 km 高分辨区域模式和2.8 km 区域集合预报系统等。

近二十年来中国自主研发的数值天气预报模式取得明显进步，如中国气象局自主研发的GRAPES （Global / Regional Assimilation and Prediction System）模式[3]，是首个配有复杂物理过程的大气非静力数值预报模式，设计方案可应用于高分辨率业务预报。模式采用球面坐标和高度地形追随坐标，应用半拉格朗日半隐式算法[4-6]与相关计算方案，解决非静力平衡模式求解中的精度与数值计算方案快速收敛问题。另外模式采用可插拔模块化的程序结构，能够方便快捷地配置各物理过程。

2004 年开始，中国气象局广州热带海洋气象研究所基于GRAPES 和自主研发的TL 模式（热带有限区模式）发展热带区域数值天气预报业务系统，主要包括一个以预报台风为主的南海台风模式预报系统和一个以预报日常气象要素，如预报降水、预报2 m 温度等为主的华南中尺度模式预报系统。通过研究和多年技术改进，热带区域数值天气预报业务系统的预报水平有了明显提高。热带区域数值天气预报模式V1.0 版（）于2011年正式通过中国气象局业务准入，稳定地为各级用户提供业务产品。后经过几年研究与技术开发，形成热带区域数值天气预报模式V2.0 版（）[7]，并于2016 年正式通过中国气象局业务升级准入。

为了进一步提升强天气过程预报能力，同时提高区域气象要素的预报精度，在的基础上，从模式初值技术、模式动力框架和模式物理过程等方面开展研究，发展热带高分辨区域模式。2018年集成多项研究成果，优化技术方案，形成适合热带地区的高分辨率模式，即热带区域数值天气预报模式V3.0 版（）。测试表明， 的预报性能已全面超越，并于2019年7月正式通过中国气象局业务升级准入 可在较高分辨率的情况下稳定运行，如水平格距为0.01 °（接近1 km）的情况下可采用30秒的时间步长，稳定运行，且结果合理。基于新版模式建立了区域高分辨率模式预报系统，包括区域9 km 模式（水平格距0.09 °）、区域3 km 模式（水平格距为0.03 °）和快速更新的1 km 模式（水平格距为0.01 °）预报系统，分别提供每天两次的168 小时预报、每天两次的96小时预报和12分钟快速更新的6小时短临预报，为区域天气预报业务提供实时产品。目前业务系统已经在各地广泛应用，本文可为应用者提供多方面的参考，也可为模式研发者进行下一步技术改进提供帮助。

2 区域高分辨率模式技术方案

2.1 简介

动力框架的基本特点与 相同，保持GRAPES 全可压-非静力平衡、半隐式-半拉格朗日（SISL）、静力参考大气、高度地形追随坐标、Charney-Philips 垂直跳层、水平等距经-纬网格和Arakawa-C 跳点等技术特点。在自然高度坐标下，模式基本方程组写为：

各符号定义可参考GRAPES模式技术手册[3]，其中Gx为曲率项，a为地球半径。为了适应高分辨率预报的需要，模式方程中的附加项不再被忽略，如式（1）和式（3）中的曲率项、科氏力附加项完全保留，不再略去。

这里，∏?、θ?表示满足静力平衡的三维参考大气；∏′、θ′表示偏离参考大气状态的偏差量。将式（6）~（7）分别代入式（1）~（5），并应用参考大气满足静力平衡关系式报方程。

新版模式在基本预报方程的基础上，采用三维静力参考大气、非线性项分步计算、物理过程倾向隐式处理，并耦合各种物理过程，形成预报模式。

2.2 动力框架技术改进

为了适应高分辨模式强垂直运动和小尺度扰动急剧增长的特点，在 模式中改进相关技术方案。

（1）三维静力参考技术方案改进。在原一维静力参考大气技术方案的基础上，发展了三维静力参考大气技术，有效地应对高分辨模式强垂直运动产生的预报偏差问题，从而提高模式预报精度 在 原三维静力参考方案[7]基础上进行一些技术改进。改进方案主要是考虑三维参考新增加项的算法。如热力学方程需增加参考大气的水平平流项，式（13）和式（14）分别是线性化分离的线性项和非线性项，下划线部分就是新增加部分，各变量定义与相同。

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