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Chinese Science Bulletin 2010年第24期55卷 635-649页

作者： WANG Hong GONG ShanLing ZHANG HongLiang CHEN Yong shen xueshun CHEN DeHui XUE JiShan shen YuanFang WU XiangJun JIN ZhiYan Centre for Atmosphere Watch and Services Chinese Academy of Meteorological Sciences Beijing 100081 China State Key Laboratory of Severe Weathet. Chinese Academy of Meteorological Sciences Beijing 100081 China State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG) Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences Beijing 100029 China

Based on the new-generation Global/Regional Assimilation and PrEdiction System(GRAPES) developed by the Numerical Prediction Research Center,China Meteorological Administration and the Chinese Unified Atmospheric Chemistry Environment for Dust Atmospheric Chemistry Module(CUACE/Dust) developed by the Centre for Atmosphere Watch and Services(CAWAS) of the Chinese Academy of Meteorological Sciences(CAMS) ,the China sand and dust storm forecasting system GRAPES /CUACE-Dust model has been *** latest data of land desertification,optical properties of China sand and dust aerosols,daily soil moisture and snow cover over China main land was introduced in this *** system showed good performance in mass *** comparisons of real-time prediction outputs with surface observations and aerosol indices derived from TOMS ozone spectrophotometers(TOMS AI) indicate that the model can predict the outbreak,development,transport and depletion processes of sand and dust storms accurately over China and the East Asian *** system makes real-time quantitative prediction of a series of elements including sand and dust injection from the surface,dry and wet deposition amount,dust concentration and optical *** selected 7 major dust storms occurring in April 2006 and analyzed the spatiotemporal distribution patterns of dust emission,dry and wet deposition and atmospheric load in this *** results showed that about 225 million tons of dust were emitted into the atmosphere from the deserts over east Asia in that *** 3 major sand and dust sources were just as the following:The deserts in northern Inner Mongolia and the boundary area around China-Mongolia were the first dust sources with a contribution of 153 million tons accounting for 68%of the total *** Taklimakan Desert ranked second and contributed approximately 40 million tons accounting for 17%of the dust *** Onqin Daga Sandland emitted about 15 million tons or 7%of the t

关键词： mesoscale 沙和灰尘暴风雨预报系统喷雾器干燥免职湿免职

相变修正方案在GRAPES模式标量平流中的应用

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气象学报 2009年第6期67卷 1089-1100页

作者：苏勇沈学顺中国气象科学研究院数值预报研究中心北京100081

如何更好地模拟水物质的空间分布和小尺度变化,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。计算机的飞速发展使数值模式的分辨率不断提高,云的显式计算成为可能,这样就要求水物质在平流的过程中必须要... 详细信息

如何更好地模拟水物质的空间分布和小尺度变化,对于数值天气预报效果的改进,特别是对于更好地模拟降水过程,具有重要的意义。计算机的飞速发展使数值模式的分辨率不断提高,云的显式计算成为可能,这样就要求水物质在平流的过程中必须要做到高精度、守恒、保形。水物质场是正定标量的场,具有空间和时间变化幅度大、存在强梯度甚至不连续的特点,水物质场的合理模拟一直是数值预报中的一个难题。GRAPES模式中的标量平流方案采用PRM分段有理函数方法,比较好地解决了该半拉格朗日模式中水物质平流的高精度、守恒、保形问题,但是当有凝结潜热发生时,由于半拉格朗日平流方案求解上游点时的插值,在云边缘区域会造成虚假的云水,进而导致不合理的相变过程。为了解决以上问题,本研究在GRAPES模式中PRM平流方案的基础上,加入了非线性半拉格朗日相变潜热的修正方案,旨在改进GRAPES模式对水物质平流问题的模拟,提高降水的预报效果。该研究通过理想试验,验证了非线性半拉格朗日相变修正方案可以有效地限制云边缘由于半拉格朗日平流方案插值产生的虚假相变;然后将该方案加入GRAPES模式的PRM水物质平流方案中,通过实际个例模拟验证了加入非线性半拉格朗日方案以后,模式可以更好地模拟水物质的平流过程,且对云中热力场及水物质分布地模拟更加合理,同时预报出的雨带中心区与实况更加符合。

关键词： GRAPES模式非线性半拉格朗日相变分段有理函数方法

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对流尺度集合预报与模式不确定性研究进展

气象 2019年第8期45卷 1158-1168页

作者：王璐沈学顺中国气象科学研究院北京100081 中国气象局数值预报中心/国家气象中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

本文回顾了国内外近10年来对流尺度集合预报系统以及有关模式不确定性研究的成果。对流尺度集合预报在提高局地强天气预报预警能力方面,因其可以提供丰富的概率预报信息而具有显著优势,相关研究和应用受到国内外学者和数值预报业务机构... 详细信息

本文回顾了国内外近10年来对流尺度集合预报系统以及有关模式不确定性研究的成果。对流尺度集合预报在提高局地强天气预报预警能力方面,因其可以提供丰富的概率预报信息而具有显著优势,相关研究和应用受到国内外学者和数值预报业务机构的重视。相对于全球集合预报,对流尺度集合预报中有关模式不确定性的研究缺乏系统性和理论基础,成为目前研究的热点和难点。目前常用的模式扰动方法有多模式、多物理过程、多物理参数、随机物理等。这些方法在强对流事件、热带气旋强度路径等预报中得到了广泛应用,但在提高对流尺度集合离散度方面作用仍有限,主要原因在于其并没有针对性描述影响对流系统发生发展的关键物理过程的不确定性,仍然属于全球集合预报中天气尺度范畴。在回顾相关研究的同时,也提出了值得探索和研究的方向。

关键词：对流尺度集合预报系统模式不确定性模式扰动方法

基于大涡模拟评估GRAPES模式对对流边界层的模拟性能

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气象学报 2013年第5期71卷 879-890页

作者：江川沈学顺中国气象科学研究院北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

为检验GRAPES半拉格朗日动力框架在大涡尺度上的模拟性能,为未来发展千米及其以下高分辨尺度的数值模式奠定基础,并构造GRAPES大涡模式以检验和发展边界层湍流参数化提供科学工具。通过在GRAPES模式中加入Smagorinsky-Lilly小尺度湍涡... 详细信息

为检验GRAPES半拉格朗日动力框架在大涡尺度上的模拟性能,为未来发展千米及其以下高分辨尺度的数值模式奠定基础,并构造GRAPES大涡模式以检验和发展边界层湍流参数化提供科学工具。通过在GRAPES模式中加入Smagorinsky-Lilly小尺度湍涡参数化,并将模式分辨率提高至50 m,构建GRAPES大涡模式(GRAPES_LES),以便分析GRAPES模式在大涡尺度上的适用性。同时利用广泛应用的已有大涡模式UCLA_LES作为参考,通过对干对流边界层湍流的模拟分析及与UCLA_LES模拟结果的对比,得出如下主要结论:GRAPES半拉格朗日动力框架能够模拟出与已有的大涡模式相似的边界层湍流特征;同时,通过分析也证明GRAPES存在由于采用半拉格朗日平流计算而带来过度耗散的问题:当使用相同的滤波尺度(Smagorinsky常数)时,GRAPES_LES模拟出的速度场更为平滑,小尺度湍流结构过于光滑,通过对湍流能量的能谱分析更清楚地表明了这一点。进一步,对不同的Smagorinsky常数(对应不同的滤波尺度)进行了敏感性试验,表明可以通过改变滤波尺度,有效地缓解半拉格朗日框架隐含的耗散问题,得到更接近UCLA_LES所模拟的湍流特征。

关键词：大涡模拟半拉格朗日动力框架隐含耗散 GRAPES模式对流边界层

位温方程拉格朗日平流计算方案的改进及其在GRAPES_GFS全球模式的应用

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气象 2021年第4期47卷 463-470页

作者：张红亮沈学顺国家气象中心北京100081

GRAPES全球数值预报系统(GRAPES_GFS)个例试验中,模式高层垂直速度在南极大陆上空会出现较大的计算噪音,进而影响模式的积分稳定性,甚至积分中断。对GRAPES_GFS的动力框架以及动力、物理耦合方案进行诊断分析,发现位势温度在拉格朗日上... 详细信息

GRAPES全球数值预报系统(GRAPES_GFS)个例试验中,模式高层垂直速度在南极大陆上空会出现较大的计算噪音,进而影响模式的积分稳定性,甚至积分中断。对GRAPES_GFS的动力框架以及动力、物理耦合方案进行诊断分析,发现位势温度在拉格朗日上游点上的垂直插值是垂直速度噪音产生的主要原因。2013年7月实际资料试验表明,在位温方程中引入垂直非插值的拉格朗日平流方案,可以减少或消除该计算噪音。使用新的方案后,北半球和热带地区模式预报的整体性能得到了明显提高,8 d预报的全球质量损失较为严重的问题也得到了缓解。

关键词：二时间层半隐式半拉格朗日方案位温方程垂直非插值拉格朗日平流

Science and Prediction of Heavy Rainfall over China:Research Progress since the Reform and Opening-Up of New China

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Journal of Meteorological Research 2020年第3期34卷 427-459页

作者： Yali LUO Jisong SUN Ying LI Rudi XIA Yu DU Shuai YANG Yuanchun ZHANG Jing CHEN Kan DAI xueshun shen Haoming CHEN Feifan ZHOU Yimin LIU shenming FU Mengwen WU Tiangui XIAO Yangruixue CHEN Huiqi LI Mingxin LI State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological SciencesChina Meteorological AdministrationBeijing 100081 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters Nanjing University of Information Science&TechnologyNanjing 210044 School of Atmospheric Sciences and Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster StudiesSun Yat-sen UniversityGuangzhou 519082 Key Laboratory of Cloud–Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029 National Meteorological Center China Meteorological AdministrationBeijing 100081 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029 Zhejiang Institute of Meteorological Sciences Zhejiang Meteorological BureauHangzhou 310008 School of Atmospheric Sciences Chengdu University of Information TechnologyChengdu 610225 Institute of Heavy Rain China Meteorological AdministrationWuhan 43020510 Institute of Tropical and Marine MeteorologyChina Meteorological Administration Guangzhou 510640 Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai) Zhuhai 519082 University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences Chinese Academy of Sciences(CAS)Beijing 100101

This paper reviews the major progress on development of the science and prediction of heavy rainfall over China since the beginning of the reform and opening-up of new China(roughly between 1980 and 2019).The progress of research on the physical mechanisms of heavy rainfall over China is summarized from three perspectives:1)the relevant synoptic weather systems,2)heavy rainfall in major sub-regions of China,and 3)heavy rainfall induced by *** development and application of forecasting techniques for heavy rainfall are summarized in terms of numerical weather prediction techniques and objective forecasting *** aided by the rapid progress in meteorological observing technology and substantial improvement in electronic computing,studies of heavy rainfall in China have advanced to investigating the evolution of heavy-rain-producing storms and observational analysis of the cloud microphysical features.A deeper and more systematic understanding of the synoptic systems of importance to the production of heavy rainfall has also been *** forecast of heavy rainfall in China has changed from subjective weather event forecasts to a combination of both subjective and objective quantitative precipitation forecasts,and is now advancing toward probabilistic quantitative precipitation forecasts with the provision of forecast uncertainty information.

关键词： heavy rainfall reform and opening-up of new China physical mechanisms forecasting techniques

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青藏高原地表气压拖曳的估算及其特征分析

气象学报 2015年第1期73卷 93-109页

作者：秦庆昌沈学顺中国气象科学研究院北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

为了更好地了解青藏高原多尺度地形的动力作用,并为改良数值模式中地形的表示方法奠定基础,通过采用2010年青藏高原西南部6个地面台站的观测资料以及4种不同分辨率的分析(再分析)资料,分别估算了冈底斯山及整个青藏高原主体范围内的地... 详细信息

为了更好地了解青藏高原多尺度地形的动力作用,并为改良数值模式中地形的表示方法奠定基础,通过采用2010年青藏高原西南部6个地面台站的观测资料以及4种不同分辨率的分析(再分析)资料,分别估算了冈底斯山及整个青藏高原主体范围内的地表气压拖曳,得出了青藏高原可能存在的拖曳类型,并且分析了青藏高原气压拖曳的一些特征。得出如下主要结论:由罗斯贝波产生的波动拖曳作为行星尺度的拖曳对青藏高原地区总拖曳的贡献最大;同时,青藏高原范围内存在着大量与天气过程密切相关的天气尺度的拖曳;对于冈底斯山对气流的中尺度动力作用的进一步分析可知,夏季基本全为气流分离,冬季500 hPa以下为气流分离,500—200 hPa为气流分离和波动破碎的混合区,而200 hPa以上的平流层则为重力波的产生及其破碎区域;冈底斯山地区的地表气压拖曳主要集中在3000—5000 m高度,并且,冈底斯山总拖曳的方向近乎与山脊垂直;地表气压和地形高度资料的分辨率越高,所能分辨出的更小波长的气压拖曳也越多,估算出的高原主体范围内的拖曳值也越大;变压梯度和地形梯度是影响气压拖曳的基本因子,但地形梯度对拖曳的影响最终是通过气压梯度来实现的。

关键词：地表气压拖曳青藏高原拖曳类型影响因子

质量守恒的订正算法在GRAPES_GFS中的应用

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应用气象学报 2016年第6期27卷 666-675页

作者：苏勇沈学顺张倩中国气象科学研究院北京100081 南京信息工程大学大气科学学院南京210044 中国气象局数值预报中心北京100081 中国气象局气象宣传与科普中心北京100081

如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说,在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难,质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES... 详细信息

如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说,在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难,质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS(Global-Regional Assimilation and PrEdiction System,Global Forecast System)在长时间积分过程中质量损失问题较为明显,该研究工作借鉴C^CAM(Climate-CommunityAtmosphere Model)中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路,在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验,验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性,在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差,缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题,在实际业务预报中有一定应用价值。

关键词： GRAPES_GFS 质量守恒半拉格朗日

Review of Chinese atmospheric science research over the past 70 years: Synoptic meteorology

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Science China Earth Sciences 2019年第12期62卷 1946-1991页

作者： Zhiyong MENG Fuqing ZHANG Dehai LUO Zhemin TAN Juan FANG Jianhua SUN xueshun shen Yunji ZHANG Shuguang WANG Wei HAN Kun ZHAO Lei ZHU Yongyun HU Huiwen XUE Yaping MA Lijuan ZHANG Ji NIE Ruilin ZHOU Sa LI Hongjun LIU Yuning ZHU Department of Atmospheric and Oceanic Sciences Peking UniversityBeijing 100871China Department of Meteorology and Atmospheric Science The Pennsylvania State UniversityUniversity ParkPA 16802USA Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of SciencesBeijing 100029China School of Atmospheric Science Nanjing UniversityNanjing 210093China National Meteorological Center Beijing 100081China School of Atmospheric Sciences Nanjing University of Information Science and TechnologyNanjing 210044China

Synoptic meteorology is a branch of meteorology that uses synoptic weather observations and charts for the diagnosis,study,and forecasting of *** refers to the specific state of the atmosphere near the Earth’s surface during a short period of *** spatial distribution of meteorological elements in the atmosphere can be represented by a variety of transient weather phenomena,which are caused by weather systems of different spatial and temporal *** is closely related to people’s life,and its development and evolution have always been the focus of atmospheric scientific research and *** development of synoptic meteorology is closely related to the development of observation systems,dynamical theories and numerical *** China,observation networks have been built since the early 1950 *** to now,a comprehensive meteorological observation systembased on ground,air and space has been *** particular,the development of a new generation of dense radar networks,the development of the Fengyun satellite series and the implementation of a series of large field experiments have brought our understanding of weather from large-scale environment to thermal dynamics,cloud microphysical structure and evolution characteristics of meso and micro-scale weather *** development of observation has also promoted the development of theory,numerical model and *** the early days,China mainly used foreign numerical ***,China has developed numerical model systems with independent intellectual property *** on the results of high-resolution numerical simulations,in-depth understanding of the initiation and evolution mechanism and predictability of weather at different scales has been *** meteorology has gradually changed from an initially independent development to a multidisciplinary approach,and the interaction between weather and the change of climate and environment has become a hot and fronti

关键词： Atmospheric sciences Synoptic meteorology Weather 70-year progresses