中国气象局关于印发数值天气预报发展规划(2011―2015年)的通知 【法规类别】天气预报计划综合规定
【发文字号】气发[2010]175号
【发布部门】中国气象局
【发布日期】2010.12.21
【实施日期】2010.12.21
【时效性】现行有效
【效力级别】XE0303
中国气象局关于印发数值天气预报发展规划（2011-2015年）的通知
（气发〔2010〕175号）
各省、自治区、直辖市气象局，各直属单位，各内设机构：
现将《数值天气预报（GRAPES）发展规划（2011-2015年）》印发给你们，请认真组织实施。中国气象局2008年8月26日印发的《中国气象局数值天气预报业务发展计划（2008-2012年）》（气发〔2008〕398号）同时废止。 二○一○年十二月二十一日
数值天气预报（GRAPES）发展规划（2011-2015年）
(中国气象局 二〇一〇年十二月)
目 录
一、现状与问题分析
（一）现状与发展趋势分析
1.国内现状
2.国际现状
3.发展趋势
（二）存在的主要问题
2.业务应用软硬件支撑能力有待提高
二、指导思想与发展目标
（一）指导思想
（二）发展目标
1.总体目标
2.具体目标
三、主要任务
（一）数值预报业务系统
2.区域模式
3.资料同化与应用
4.集合预报
5.台风模式
6.并行计算技术
（二）业务应用系统
1.模式检验
2.产品开发
（三）系统运行与支撑系统
1.系统运行监视与诊断系统
2.支撑软件系统
（四） 数值预报前瞻性研究
1.数值预报理论和方法研究
2.THORPEX与我国数值预报技术发展
3.观测试验与数值预报技术改进
四、保障措施
（一） 加强组织领导，明确任务分工
（二） 加强队伍建设，完善用人机制
（三）建立稳定的投入机制，确保计划的有效实施
（四）以开放实验室为平台，加强国内外合作与交流
（五）建立高性能计算机和资料获取保障机制
数值预报技术是决定预报预测业务能力的根本因素，也是一个国家气象现代化的重要标志。为加快推进数值预报业务的发展，提高GRAPES模式的业务预报水平，根据《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》（国发〔2006〕3号）、《中国气象局关于发展现代气象业务的意见》（气发〔2007〕477号）和《现代天气业务发展指导意见》（气发〔2010〕1号），编制本规划。
（一）现状与发展趋势分析
1.国内现状
我国数值天气预报业务经过多年发展，逐步从引进吸收与自主研发并重转入了自主研发、持续发展的新格局。在国家级初步构建了包括全球和区域模式预报系统、集合预报系统及专业数值预报系统在内的较为完整的数值预报体系。T639L60可用预报时效达到6.5天以上，预报产品在业务中得到广泛的应用；GRAPES中尺度数值预报系统2004年实现业务化；GRAPES全球中期数值天气预报系统2009年3月实现准业务运行；全球台风路径预报能力逐步提高，台风路径距离误差浙江省湖州市织里镇24小时预报在125公里以内，48小时预报在220公里以内，72小时预报在330公里以内。
除了西藏自治区气象局以外，其余30个省（区、市）都建立了不同程度满足业务与科研需要的区域中尺度数值预报系统，其中WRF、MM5、GRAPES等中尺度模式得到了较为广泛的应用。
2.国际现状
目前，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）、英国气象局、法国气象局、加拿大气象局、日本气象厅、澳大利亚气象局等发达国家都已经建立了气象资料四维变分同化系统。在未来3年的时间里，世界数值预报先进国家的全球模式分辨率都将提高到10-25km，达到了全球中尺度模式的水平，尤其是ECMWF的确定性预报业务模式已于2009年底升级为T1279 L91，水平分辨率约16km，垂直分层达91层， 全球中期集合预报业务模式也相应升级为T639 L91，水平分辨率约达30km。另外，为期10年的国际“观测系统研究与可预报性试验”计划（THORPEX）正在世界气象组织框架内组织实施，将有力地推进观测-预报交互系统技术、资料同化技术、多模式多中心超级集合预报技术的发展，加速提高1-14天数值预报准确率。
3.发展趋势
概括来说，未来3-5年业务数值预报的发展趋势可归纳为：
（1）高分辨率模式快速发展。全球模式的分辨率将达10公里，垂直方向扩展到0.01百帕，全球模式将进入高分辨率中尺度数值预报模式时代；有限区域数值预报模式的分辨率将达1公里左右。
（2不用洗衣粉的洗衣机）物理过程参数化方案更加精细化。近年来数值天气预报模式、气候模式的物理过程越来越复杂，各圈层及其相互作用更加全面，模式中使用的各种物理过程及其相互作用越来越细，越来越强调深入结合观测资料研究评估模式的动力物理过程，尤其是云微物理过程。
（3）变分与集合卡尔曼滤波混合或者集合-变分的新同化技术得以发展，遥感资料得到更广泛的使用，特别是有云区卫星遥感资料在数值预报中的有效应用。以四维变分同化为基础的集合-变分同化或混合资料同化技术将成为未来资料同化技术的主流发展方向。
（4）集合预报技术得到深入发展，业务上得到广泛应用。奇异向量初值扰动方法进一步发展，尤其是包括水汽的能量模的计算在低纬热带区域的改进和业务应用；物理过程扰动技术在区域模式集合预报中的应用，以及多模式多中心超级集合预报技术的应用发展。
（二）存在的主要问题
1.GRAPES系统核心技术有待改进
经过10年的发展，我国已初步建立了区域和全球GRAPES业务系统。但是，与实际业务需求和先进国家业务数值预报水平相比，GRAPES模式系统业务能力仍有较大差距。GRAPES模式系统可用预报天数较短（平均仅为6天左右），GRAPES全球中期预报的前三天预报技巧下降过快；区域GRAPES中尺度模式的中国区域降水预报偏差较大，预报降水量偏大。目前北京社会函授大学GRAPES系统中存在的主要问题可归纳为：
（1等效阻抗）同化系统不完善。目前GRAPES全球中期数值预报三维变分准业务系统同化的资料量较少，资料（包括常规、卫星、雷达、自动站）的质量控制和模式的水汽预报技术薄弱。GRAPES四维变分同化仍未达到业务应用的技术水平，严重制约了大量的卫星等遥感资料的有效同化应用，从而影响同化系统为数值模式积分提供高质量的初值。
（2）模式动力框架存在较大局地误差。GRAPES模式动力框架采用成熟的半隐式-半拉格朗日差分基本理论方案，但在具体业务应用时，仍有许多细节问题需要加以完善、改进，
需要重点解决复杂地形下的拉格朗日轨迹的精确计算、拉格朗日差分方案的质量守恒性与稳定性、动力过程与物理过程的协调性等问题。
（3）模式物理过程的研究不够深入。物理过程的深层次问题随着模式的发展变得更加重要，需要进一步结合有关观测资料，发展切实可行的诊断方法，弥补这方面的不足。同时，具有中国地理特征、天气气候特点的物理过程参数化方案尚属欠缺或空白，需要通过组织一系列中国区域的针对性观测试验，开展深入研究。
2.业务应用软硬件支撑能力有待提高
数值预报支持系统的支撑能力和应用拓展能力有待完善和加强。随着数值预报业务的深入发展和全面展开，计算机硬件资源严重不足，图形图像软件、GRAPES系统版本管理、诊断分析工具等也不适应复杂、庞大的业务数值预报系统的开发和稳定、可靠、有效运行的需求。
（一）指导思想
以《国务院关于加快气象事业发展的若干意见》为指导，围绕提高天气预报准确率的核心
要求，建立和完善有利于数值预报研发和业务运行体制机制，持续发展以GRAPES模式为核心的我国数值天气预报模式体系，发展符合东亚区域天气气候特征的模式物理过程等模式关键技术和资料同化技术，努力实现GRAPES模式系统成为我国天气业务中的主要数值预报模式系统。
（二）发展目标
1.总体目标
完成以GRAPES系统为核心的新一代业务数值预报体系建设，建立四维变分同化和水平分辨率25公里的全球中期数值预报业务系统以及全球台风数值预报业务系统、全球集合预报业务系统；建立全国5公里分辨率的中尺度数值预报业务系统和区域2公里分辨率三维变分同化/云分析的快速分析预报系统。
2.具体目标
至2015年，将达到以下具体目标：
（1）全球数值天气预报系统：提高全球模式动力框架计算精度和稳定性，优化改进物理过程参数化方案；实现全球三维变分同化业务运行，全球四维变分同化准业务运行；卫星遥感资料占所同化观测资料总量的80%以上；模式水平分辨率达到25公里，垂直分层70层，模式层顶扩展至整个平流层（至50-60公里），北半球可用预报天数达到7.5天以上。
（2）区域数值天气预报系统：整体提高区域模式在东亚地区的预报性能，重点提高针对我国的降水预报能力；实现区域四维变分同化和2公里分辨率三维变分同化/云分析的快速分析预报系统业务运行；实现多普勒天气雷达、卫星、自动气象站等高时空分辨率的局地稠密资料的同化业务应用；全国区域模式水平分辨率达到5公里，垂直分层40层，模式顶高达40公里；全国区域的降水预报TS评分明显提高，其结果对业务预报有重要参考价值。
（3）台风数值预报系统：研制新的台风数值预报初始化技术，改进GRAPES模式系统台风涡旋初值质量；改进GRAPES模式系统物理过程，提高GRAPES对台风强度及降水预报能力；开展GRAPES台风路径集合预报系统扰动方法研究；优化海洋模式，改进海气耦合模式系统耦合技术，实现海气耦合模式在业务中应用。
（4）集合数值预报系统：建立基于奇异向量初值扰动的水平分辨率达50km、why should we learn English30个样本的
GRAPES全球集合预报研究系统，并实现试验运行；建立基于奇异向量初值扰动和模式物理扰动的水平分辨率为15km左右、样本数不少于30个的GRAPES区域集合预报系统。
（5）业务应用系统：建立包括常规要素检验、空间检验方法和面向目标的检验方法的GRAPES模式检验分析系统；开展GRAPES模式实时天气学跟踪检验；建立完善的GRAPES产品后处理系统，开发MICAPS格式的产品。
（6）软件开发支撑保障系统：建立业务同化和预报监视信息系统，建立较完整的数值天气预报业务支持系统及软件技术工具，实现完善的版本管理制度。
围绕本规划确定的发展目标，以提高数值模式预报准确率、业务应用能力和精细化预报为核心，未来5年我国数值天气预报系统发展的主要任务如下：
（一）数值预报业务系统
1.全球模式
重点研究解决GRAPES全球模式动力框架的计算精度和守恒性问题，以及由于使用经纬度坐标产生的高纬度极区格点过渡密集带来的计算问题、物理过程的优化和协调性问题等。
（1）动力框架
①现状及主要问题分析
GRAPES模式动力框架差分方案的精度有待提高。现有版本采用先推导微分方程，再对推导出的微分表达式直接差分，因此对时间积分方程中各计算项之间的平衡考虑不周，特别是对地形项的差分方案考虑存在不妥之处，导致模式在大地形附近计算误差较大。GRAPES现有版本对模式的守恒性考虑不足。模式时间积分中采用的半隐式半拉格朗日方案是非守恒方案，没有保证质量守恒、水物质守恒和位温守恒，这些问题可能会对模式预报性能产生影响。模式的垂直坐标从底层到高层均为地形高度坐标，坐标的设计导致模式在对流层高层计算误差普遍偏大。模式在南北两极的处理过于简单，由于球面极坐标系格点在极区辐合，带来计算不稳定性，并引起计算精度下降等奇异性问题。
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