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1.
GRAPES全球奇异向量方法改进及试验分析 总被引：4，自引：0，他引：4
基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。 相似文献
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伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。 相似文献
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在深入剖析SMS （Supervisor Monitor Scheduler）技术架构的基础上,分析了GRAPES （Global and Regional Assimilation and Prediction Systesm）数值预报的特点,并对GRAPES传统运行技术和基于SMS技术的运行流程做了对比。运用SMS技术构建了客户端/服务器结构的GRAPES数值预报作业自动化系统,对GRAPES数值预报模式运行的流程做了详尽的划分,将功能类似GRAPES模式的模块组合在一起,在实施过程中将复杂的单一模块拆分成多个任务,把单个任务的功能简单化,以图形化界面直观的显示模式运行流程,实现了GRAPES预报模式作业流程的自动化,极大的提高GRAPES模式业务运行能力,保证模式运行的可靠性和时效性。 相似文献
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基于切线伴随技术计算GRAPES-Meso模式的奇异向量 总被引：4，自引：0，他引：4
集合数值天气预报的关键问题就是如何生成有效的初始扰动。奇异向量反映了初始扰动在大气系统相空间中演变发展的最不稳定方向,基于奇异向量产生的集合样本是模拟概率密度函数的最合理方法。以非静力、半隐式半拉格朗日GRAPES-Meso中尺度数值预报模式为基础,采用Lanczos迭代算法,利用GRAPES-Meso的切线伴随模式计算GRAPES奇异向量。为了检验求得的奇异向量的正确性,提出了两种检验奇异向量正确性的方法:一是比较计算的奇异值的一致性;二是依据特征向量在矩阵变换中的方向不变性意义,验证GRAPES奇异向量空间结构的正确性。最后研究了不同的时间间隔对GRAPES奇异向量的影响,结果表明GRAPES奇异向量在36小时的最优时间间隔误差增长速度最快,这表明在非静力、半隐式半拉格朗日格点模式中利用切线伴随技术计算奇异向量是可行的。 相似文献
5.
以发展基于奇异向量技术为初值扰动的GRAPES全球集合预报系统为目的,在GRAPES模式及其干动力框架下的切线性、伴随模式基础上开展了以总能量模为权重算子的奇异向量计算技术研究,建立奇异向量的计算求解模块,并通过奇异向量检验方法和切线性近似方法验证了奇异向量求解的正确性.通过对中高纬度的GRAPES奇异向量水平结构的线性演变分析,证实了在最优时间间隔内GRAPES奇异向量能够快速增长,并能描述中高纬度大气的斜压不稳定特征.分析在初始时刻和最优化时间间隔时刻的GRAPES奇异向量总能量及其分量(动能和势能)的垂直分布特征,发现在中高纬度区域,GRAPES奇异向量能够描述对流层不同层次的斜压不稳定增长特征. 相似文献
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GRAPES全球格点模式的并行计算负载平衡策略 总被引：1，自引：0，他引：1
随着高性能计算机技术的发展和应用,并行计算已成为保证数值天气预报模式业务运行时效的关键技术之一.目前高性能计算机计算能力已达到每秒千万亿次浮点计算.系统中处理器数量也早已达十万甚至更多,如此巨大的计算资源对应用软件系统的设计也提出了挑战.数值天气预报软件系统要充分利用高性能计算机提供的计算资源,必须依靠并行计算方法,这包括适合计算问题的可扩展并行算法的设计、合适的数据分配方案以及良好的任务负载平衡方案.作为中国新一代数值天气预报格点模式,GRAPES(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System)设计的最终目标是一个科研/业务通用,区域/全球通用模式.作为一个格点模式,GRAPES的并行计算具有与欧洲中期数值顶报研究中心谱模式并行计算不同的特点,GRAPES的并行计算采用了经典的水平网格数据划分.但对于全球的GRAPES模式,由于采用拉格朗日差分方案,模式极地及附近区域格点与格点之间距离的减小.使得模式并行计算在采用简单的经纬网格划分方式实现时,必须考虑极地区域并行计算跨越多个处理器时导致的频繁通讯解决途径.本研究提出了利用消息传递组通讯实现全球格点模式并行计算的一种方法,其核心思想是将极点附近一定区域内的处理器按纬向划归不同的处理器组.文中还给出了该实现方法的任务分配算法,提出了改进的任务分配负载平衡方案.在中国气象局高性能计算机IBM-cluster1600上的测试表明,算法具有较好的可扩展性,其负载平衡方案改善了计算的绝对墙钟时间,使并行计算效率提高10%以上.模式的准业务运行结果表明计算墙钟时间基本可以满足数值预报业务的实时性要求. 相似文献
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GRAPES模式运行和质量初检 总被引：1，自引：0，他引：1
GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)是中国气象科学研究院数值预报研究中心自主开发的新一代静力/非静力多尺度通用数值预报模式。黑龙江省气象部门现已完成对该模式的移植,实现每天两次自动定时运行,以中国国家气象中心全球数值模式预报结果T213为初始场和外嵌套环境场,进行48h的预报,供预报业务和服务使用。对预报结果的初步检验表明GRAPES模式软件框架的设计和实现适合多种计算条件移植和运行;预报结果对业务和服务有重要的指导意义。 相似文献
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随着通用图形处理器 (GPGPU) 计算技术的快速发展,通过大规模增加处理系统的并发度来提升性能成为计算机高性能计算的最新趋势。目前,通用图形处理器已经被应用到科学计算的诸多领域。长波辐射作为GRAPES模式中极为重要的物理过程,其巨大的计算量对整个GRAPES模式的运行效率有重要影响。该文依托NVIDIA公司计算统一设备架构 (CUDA) 技术平台,以GRAPES全球模式中长波辐射传输方案为例,对其进行了大规模并发设计和优化,在保持系统结果一致的前提下,对比单颗高端CPU,Tesla C1060 GPGPU具有11倍的加速效果,明显提升了GRAPES全球模式的执行速度和预报时效。研究表明:使用通用图形处理器技术提升数值预报模式的执行速度非常有潜力。 相似文献
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GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展 总被引：21，自引：3，他引：18
为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善. 相似文献
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针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。 相似文献
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Four-dimensional variational data assimilation for mesoscale and storm-scale applications 总被引：1，自引：0，他引：1
Summary ?The status and progress of the four-dimensional variational data assimilation (4DVAR) are briefly reviewed focusing on application
to prediction of mesoscale/storm-scale atmospheric phenomena. Theoretical background is provided for each important component
of the 4DVAR system – forecast and adjoint models, observations, background, cost function, preconditioning, and minimization.
An overview of practical issues specific for mesoscale/storm-scale 4DVAR is then presented in terms of high-resolution observations,
nonlinearity and discontinuity problem, model error, errors from lateral boundary condition, and precipitation assimilation.
Practical strategies for efficient and simplified 4DVAR are also introduced, e.g., incremental 4DVAR, poor man’s 4DVAR, and
inverse 3DVAR. A new concept on hybrid approach is proposed to combine an efficient 4DVAR scheme and the standard 4DVAR scheme
aiming at reducing computational demand required by the standard 4DVAR while improving the accuracy of the simplified 4DVAR.
Applications to both hydrostatic and nonhydrostatic models are illustrated and our vision on opportunities and directions
for future research is provided.
Received March 12, 2001; revised July 24, 2001; accepted September 5, 2001 相似文献
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GU Jianfeng Qingnong XIAO Ying-Hwa KUO Dale M. BARKER XUE Jishan MA Xiaoxing 《大气科学进展》2005,22(3):415-427
Using the recently developed Weather Research and Forecasting (WRF) 3DVAR and the WRF model, numerical experiments are conducted for the initialization and simulation of typhoon Rusa (2002).The observational data used in the WRF 3DVAR are conventional Global Telecommunications System (GTS) data and Korean Automatic Weather Station (AWS) surface observations. The Background Error Statistics (BES) via the National Meteorological Center (NMC) method has two different resolutions, that is, a 210-km horizontal grid space from the NCEP global model and a 10-km horizontal resolution from Korean operational forecasts. To improve the performance of the WRF simulation initialized from the WRF 3DVAR analyses, the scale-lengths used in the horizontal background error covariances via recursive filter are tuned in terms of the WRF 3DVAR control variables, streamfunction, velocity potential, unbalanced pressure and specific humidity. The experiments with respect to different background error statistics and different observational data indicate that the subsequent 24-h the WRF model forecasts of typhoon Rusa‘s track and precipitation are significantly impacted upon the initial fields. Assimilation of the AWS data with the tuned background error statistics obtains improved predictions of the typhoon track and its precipitation. 相似文献
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设计了一个以MM5模式为基础的遗传算法同化系统,并对一次暴雨过程进行了实际降水的模拟,通过对比遗传同化和伴随同化的降水预报效果,对遗传算法同化系统的同化性能进行验证。试验结果表明,遗传算法与四维变分相结合的同化系统能有效地改善模式的初始场,使MM5模式要素预报和降水预报的准确率得到提高。 相似文献
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In this paper, based on heavy rain numerical forecast model AREM （Advanced Regional Eta Model）, two different initialization schemes, LAPS and GRAPES-3DVAR, are used to run assimilation experiments of AREM-LAPS and AREM-3DVAR with the same data source （NCEP forecast field, surface data and radio-soundings） during the period from 21 May to 30 July 2008 to investigate the effect of the two initialization schemes on the rainfall simulation. The result suggests that： （1） the forecast TS score by the AREM-LAPS is higher than that by the AREM-3DVAR for rainfall in different areas, at different valid time and with different intensity, especially for the heavy rain, rainstorm and extremely heavy rain; （2） the AREM-3DVAR can generally simulate the average rainfall distribution, but the forecast area is smaller and rainfall intensity is weaker than the observation, while the AREM-LAPS significantly improves the forecast; （3） the AREM-LAPS gives a better forecast for the south-north shift of rainfall bands and the rainfall intensity variation than the AREM-3DVAR; （4） the AREM-LAPS can give a better reproduction for the daily change in the mean-rainfall-rate of the main rain band, and rainfall intensity changes in the eastern part of Southwest China, the coastal area in South China, the middle-lower valleys of Yangtze river, the Valleys of Huaihe river, and Shandong peninsula, with the rainfall intensity roughly close to the observation, while the rainfall intensity simulated by the AREM-3DVAR is clearly weaker than the observation, especially in the eastern part of Southwest China; and （5） the comparison verification between the AREM-LAPS and AREM-3DVAR for more than 10 typical rainfall processes in the summer of 2008 indicates that the AREM-LAPS gives a much better forecast than AREM-3DVAR in rain-band area, rainfall location and intensity, and in particular, the rainfall intensity forecast is improved obviously. 相似文献
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G. Broquet C.A. Edwards A.M. Moore B.S. Powell M. Veneziani J.D. Doyle 《Dynamics of Atmospheres and Oceans》2009,48(1-3):69
The Incremental Strong constraint 4D-Variational (IS4DVAR) data assimilation system of the Regional Ocean Model System (ROMS) is used to study the controllability of a realistic, high resolution configuration of the California Current System. The configuration and results of assimilating both satellite-derived surface observations along with in situ data are presented. Results show consequent improvements in many characteristics of the model circulation, and some of the strengths of the adjoint method for data assimilation are highlighted. General issues of the sensitivity of the results to the configuration of ROMS-IS4DVAR are also discussed. 相似文献
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《Dynamics of Atmospheres and Oceans》2010,49(1-3):69-92
The Incremental Strong constraint 4D-Variational (IS4DVAR) data assimilation system of the Regional Ocean Model System (ROMS) is used to study the controllability of a realistic, high resolution configuration of the California Current System. The configuration and results of assimilating both satellite-derived surface observations along with in situ data are presented. Results show consequent improvements in many characteristics of the model circulation, and some of the strengths of the adjoint method for data assimilation are highlighted. General issues of the sensitivity of the results to the configuration of ROMS-IS4DVAR are also discussed. 相似文献
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WANG Yunfeng WANG Bin HAN Yueqi ZHU Min HOU Zhiming ZHOU Yi LIU Yudi KOU Zheng 《大气科学进展》2004,21(4):587-596
The numerical forecasts of mei-yu front rainstorms in China has been an important issue. The intensity and pattern of the frontal rainfall are greatly influenced by the initial fields of the numerical model. The 4-dimensional variational data assimilation technology (4DVAR) can effectively assimilate all kinds of observed data, including rainfall data at the observed stations, so that the initial fields and the precipitation forecast can both be greatly improved. The non-hydrostatic meso-scale model (MM5) and its adjoint model are used to study the development of the mei-yu front rainstorm from 1200 UTC 25 June to 0600 UTC 26 June 1999. By numerical simulation experiments and assimilation experiments, the T106 data and the observed 6-hour rainfall data are assimilated. The influences of many factors, such as the choice of the assimilated variables and the weighting coefficient, on the precipitation forecast results are studied. The numerical results show that 4DVAR is valuable and important to mei-yu front rainfall prediction. 相似文献