热带高分辨率模式技术方案及其系统预报性能(2)

方案改进之一是将式（13）和（14）转换为式（15）和（16）。即新增加参考大气水平平流计入线性项中，连续方程做法类似，这样做可提高模式积分的稳定性。根据改进方案需要重新推导预报方程，建立相应的离散格式进行隐式求解。方案改进之二是位温扰动量的计算方法。采用三维静力参考大气，预报变量位温需扣除参考值，初始位温扣除后可得位温扰动量，改进方案将扰动量分为静力平衡部分和非静力平衡部分，如式（17），静力平衡部分作为起步值先进入模式，非静力平衡部分作为微调值，通过nuding 逐步进入模式。改进方案保持模式协调，又可提高温度预报和降水预报准确率。

（2）若干辅助方案技术开发。为了提高模式计算效率和预报性能，开发了若干辅助技术方案，如三维矢量拉格朗日投影新算法和垂直方向上的W_damping（垂直运动耗散）算法，同时引进四阶水平扩散等技术方案。

三维矢量拉格朗日投影新算法主要是为了提高模式计算效率。模式在进行拉格朗日矢量场的离散化时，先要进行矢量合成，原方案把质点的到达点和起始点的局地笛卡尔坐标单位矢量“统一化”。取中间点为参考点，将起始、到达点投影到中间点，然后在统一坐标下进行运算。

原方案取中间点为参考点，将起始、到达点投影到中间点，然后在统一坐标下进行运算，求得式（19）、（20）和（21）中的Au、Av、Aw。 因为中间参考点是变动的，所以原方案需通过求解联立方程得到Au、Av、Aw，涉及方程求解和除法运算，计算量较大。

如果将所有到达点和出发点的单位矢量（）和（）统一以投影到球心特殊单位矢量（），则无需求解方程，只需进行矢量点积运算即可得到Au、Av、Aw，如式（22）、（23）和(24)，计算效率明显提高。

（3）迭代法SISL 方案优化。在原迭代SISL方案[8]的基础上，基于预估校正的思想，进一步改进非线性项分步计算和物理作用项同步耦合问题，同时优化模式动力过程、模式物理过程各计算模块的调用顺序和调用方式，减小了虚假扰动的产生，提高模式预报精度。

2.3 高分辨率模式物理过程技术改进

区域高分辨率模式的物理过程主要包括两大类。一种是大气中的过程，如长短波辐射、云微物理、深对流、浅对流等过程；另一种是对大气运动有重要影响的下垫面过程，如海面过程、陆面过程、边界层和地形效应参数化等物理方案是在 模式物理方案的基础上进行一些技术升级和技术改进形成的，主要改进如下。

（1）云降水物理方案。云降水物理方案包括浅对流、深对流物理参数化和微物理方 更新了微物理WSM6 方案，而深对流参数化方案则是在 版引进NSAS方案[9-10]的基础上进行一些技术改进得到的。技术改进主要包括两个方面：（1）引入了尺度识别技术，即通过引入积云覆盖比来考虑深对流方案的尺度适应，使得它更加适用于灰色尺度分辨率的模式，对9 km 模式和3 km 模式是很有必要的；（2）在原方案中，气块上升过程中的雨水转化率是不随高度变化的常数，而新方案考虑了零度层以上转化率随高度逐渐减少的趋势，以及气溶胶浓度对降水转换率的影响；（3）通过试验研究改进对流触发函数，同时考虑了尺度适应深对流、浅对流与微物理三者之间的有效耦合形成新的云降水方案。试验表明，新的云降水物理方案明显地减少降水空报率，且强降水落区预报更加准确。

（2）海陆面边界层与辐射参数化方 的边界层参数化方案与相同，均采用NMRF方案，地形参数化方案则继续保留次网格地形重力波拖曳参数化[11-12]。海陆面参数化在原方案基础上进行一些优化，并增加陆面分析以提高陆面预报精度，同时也开展高精度地形影响作用的初步研究[13]。而长短波辐射由原来的RRTM方案升级为RRTMG方案，高层温度预报有明显改善。试验表明，RRTMG 方案可明显缓解原RRTM 方案高层过度降温的问题。

2.4 热带高分辨率模式版本特征与改进要点

基于GRAPES 发展的热带高分辨模式，通过研究和多年技术改进，发展了系列模式版本，以下简要列举、和的版本特征与改进要点。

表1 热带区域数值天气预报模式不同版本特征与改进要点?

3 基于的业务系统

3.1 区域高分辨率模式业务系统

基于建立模式预报系统。

（1）区域9 km模式预报系统(TRAMS 9 km)，模式实时运行范围：70~160 °E，0°~ 54.8 °N，垂直分层65层，水平分辨率0.09 °，预报时效168小时，每天制作两次预报（00 时和12 时，世界时，下同），主要用于台风路径、台风强度预报、形势场和降水过程预报。

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