我国自主研制的全球／区域一体化数值天气 预报系统ＧＲＡＰＥＳ的应用与展望 陈德辉 ，薛纪善 ，沈学顺 ，孙健 ， 万齐林 ，金之雁 ，李兴良 （１．中国气象局数值预报中心，北京１０００８１；２．中国气象科学研究院，北京１０００８１； ３．广东省气象局，广州５１００８０） ［摘要］介绍了中国气象局自主研制的新一代全球与区域一体化数值天气预报系统（ＧＲＡＰＥＳ），着重讨论了 该系统的全可压／非静力平衡动力框架，全球模式／区域模式一体化设计，半隐式一半拉格朗日差分方案，标 准化、模块化、并行化、模式程序软件体系等核心技术特点。ＧＲＡＰＥＳ系统已在国家级、区域级气象业务中心， 以及一些大学和研究所得到应用，并在不断地完善和发展。 ［关键词］数值预报；天气预报；全球／区域一体化模式；动力框架；资料同化；物理过程参数化 ［中图分类号］ＴＰ３１ ［文献标识码］ Ａ［文章编号］ １００９—１７４２（２０１２）０９—００４６－０９ １前言 气象灾害（水灾、旱灾、风灾、雪灾等）与地表灾 害（海啸、泥石流、潮灾等）、地质构造灾害（地震、火 山爆发等）、生物灾害（农作物和森林的病虫害、鼠 害、传染病流行等）等其他类型的自然灾害相比，无 论在影响范围的广度与深度、影响社会的人数与活 等），应用数值计算的方法，建立数学计算模型，编 写成计算机能自动运行计算的软件，安装在巨型计 算机上，每天定时输入气象观测数据，计算机就可以 在很短的时间内制作出未来几小时、几天、任意地点 的天气预报。因此，建立在现代探测技术、通信技 术、计算机技术以及大气科学理论基础上的数值天 气预报是解决天气预报准确率持续提高，满足社会 经济发展对防灾减灾气象保障服务需求的根本科学 途径。数值天气预报的思想最早是由挪威科学家 Ｂｊｅｃｋｎｅｓ于１９０４提出来的…，但是直至第二次世界 动等方面，还是在造成直接（间接）经济损失方面， 都是最大的，而且一年四季都可能发生。随着社会 经济的发展，气象灾害造成的直接经济损失也在 加大。 准确的天气预报是积极防御气象灾害、减少人 员和财产损失、间接提高生产力的重要手段，而现代 天气预报则是以数值天气预报技术作为重要科技支 撑。所谓数值天气预报，通俗地说就是计算机天气 预报。也就是说，根据大气演变的物理规律（如人 大战结束后，真正意义的“计算机预报天气”才获得 成功 。自此以后，数值天气预报准确率不断提 高，在现代天气预报业务中发挥着越来越重要的支 撑作用。 以世界上最先进的欧洲中期预报中心 （ＥＣＭＷＦ）为例，来说明业务数值天气预报水平的 变化（见表１）。从表ｌ可以看出，从１９８０年至２０１０年， 们熟知的牛顿运动定律、热力学定律、质量守恒定律 ［收稿日期］２０１２一Ｏ６—２５ ［基金项目］科技部“十五”科技攻关项目（２００１ＢＡ６０７Ｂ）；“十一五”科技支撑项目（２００６ＢＡＣ０２Ｂ００） ［作者简介］陈德辉（１９５５一），男，广西博白县人，研究员级高级工程师，主要研究方向为数值预报的研究与业务应用； Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｄｈ＠ｏｍａ．ｇｏｖ．ｃａ ４６中国工程科学 ５００ ｈＰａ高度场预报距平相关系数 逐年都在提高， 比如预报时效为３ ｄ的距平相关系数１９８０年为 ８４％左右（北半球），２０１０年已高达９８％，第５天、 第７天、第１Ｏ天的距平相关系数也同样得到提高， 这说明数值天气预报技术的科学性及其支撑能力在 不断提升。 表１ ＥＣＭＷＦ全球模式的北半球５００ ｈＰａ高度场预报距平相关系数 Ｔａｂｌｅ １ Ａｎｏｍａｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｔ ５００ ｈＰａ ｈｅｉｇｈｔ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｎｏｒｔｈｅｒｎ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ ａｔ ＥＣＭＷＦ 注：数据根据Ｒｏｂｅｒｔｏ Ｂｕｉｚａ博士２０１１年ｌ１月２１—２５日访问中国气象局数值预报中心作的学术报告整理而得 正是基于数值天气预报技术在现代天气预报业 务中的重要科技支撑作用，世界各国都投量的 人力物力，布设地面、雷达、高空、卫星等气象探测 网，购买巨型高性能计算机，发展先进的数值天气预 报系统技术，为气象灾害天气预报预警提供有力支 撑。中国气象局在国家科技研究计划的支持下，自 ２００１年起，自主研制发展了我国的新一代全球与区 域一体化数值天气预报系统（ＧＲＡＰＥＳ） Ｊ。 次网格物理过程参数化项。 连续方程（质量守恒定律）： （ －１） ｄ／／＝仃・Ｄ３＋一等 （４） 式（４）中， 为净热源热汇项；Ｄ，＝＋ ・ 为三维散度； ＝ （ 为定压比热， 为干空气 体常数）； 为位温；／／为气压变量。 热力学方程（热力学定律）： ２ ＧＲＡＰＥＳ模式的科学设计策略 地球表面的大气运动变化（也即天气变化），遵 ｄ面Ｏ＝ ｄｚ ／／ （５） 循基本的物理定律：牛顿运动定律、热力学定律、质 量守恒定律和大气状态变化关系 ］。 大气运动方程（牛顿运动定律）： ｄｔ ：一 ＋ “’＋ ｐ・ ｒｃｏ ｓ￣ａＡ 十 ’一 ｒ 描述温度 、气压Ｐ和密度Ｐ之间变化关系的 大气状态方程为： Ｐ＝ Ｔ （６） 一＝ （ ） 尺 （７） （８） ６ ｛ 十 ｗ） ｄｖ＝一 （１） Ⅱ：ｆ、卫１ Ｐｏ， 嚣一ｆｕ＋Ｆｖ一 ｛ ） （２） 式（１）一（８）即为Ｎａｖｉｅｓ．Ｓｔｏｃｋｅｓ方程组。自２０ 世纪５０年代中期以来的６０多年进程中 ，以 Ｎａｖｉｅｓ—Ｓｔｏｃｋｅｓ方程组为基础，各气象业务中心根据 不同的预报对象需要，研究发展了多套不同的数值 天气预报模式，并同时运行中尺度模式、区域暴雨模 警＝一 一 ＋ ＋ ｛ 手 ＋ ） （３） 式（１）一（３）中，Ｕ，ｌ，， 分别为东西、南北、垂直 风速分量；ｒ为球半径（可近似取为地球半径）； 和 为科氏力项；Ａ为经度； 为纬度；ｔ为时间；ｐ为 气压； 和 ：分别为“０”或“１”参数； 如Ｆ 等为 ５００ ｈＰａ距平相关系数是气象上用于检验预报与实况“相似” 程度的一个重要技术指标，数值越大，两者的“相似”程度越高，预报 越准确。一般认为距平相关系数大于０．６，其预报结果是可用的 式、台风模式、全球预报模式、短期气候预测模式、沙 尘暴模式等。这些模式的差异性很大，使得系统运 行维护与改进开发的成本高，研究成果的业务转化 周期长 ］。近年来世界各国着手研究建立区域模 式与全球模式统一、天气与气候（月、季、年）一体化 模式、研究模式与业务模式一体化的新一代多尺度 统一数值预报模式，以取代现有的多套不同尺度、不 同预报对象的模式共存的数值预报业务体系，大大 ２０１２年第１４卷第９期４７ 降低运行成本，加速业务成果的应用转化。目前，加 拿大 ］、英国 ］、法国 。。等国家的气象业务中心 都建立了程度不同的多尺度统一模式系统。 自２００１年起，中国气象局根据我国气象数值天 气预报业务发展的实际需要，持续实施了研究发展 ２．１模式大气近似假设 式（１）～（６）方程组是一组不做任何简化的“完 整”的Ｎａｖｉｅｓ．Ｓｔｏｃｋｅｓ方程组，它几乎包含大气中各 种尺度的运动，同时考虑了三维科氏力、球面半径与 球面曲率等影响。ＧＲＡＰＥＳ模式采用浅薄的（ｒ；。 ＝我国新一代全球与区域一体化数值天气预报系统 ＧＲＡＰＥＳ的科技攻关／支撑计划。 ６ ３７１ ｋｍ）、“全可压的”（６ ＝１）非静力平衡大 气的近似假设（见表２）。 表２大气模式方程组的不同简化假设方案 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｍｏｄｅｌ 注：将ｒ；ｏ＝６ ３７１ ｋｍ时的模式大气定义为“浅薄大气”，将ｒ＞。时的模式大气定义为“深厚大气”，并给出了不同条件下的静力平衡和 非静力平衡模式的假设方案［“］ ２．２模式垂直坐标与参考大气的选择 １）垂直坐标。由于地球表面的不规则分布，自 然高度坐标下的模式下边界很复杂，难以给定下边 界条件。ＧＲＡＰＥＳ模式采用“高度地形追随坐 ７／… 、 ÷［ ・（ ＋ ）“ ＋卢 ・（Ｌ ＋ ） ］（９） 厶 式（９）中， 代表Ｕ，ｌ，，，．，， ，／／等模式预报变 量；下标“Ｄ”表示沿拉格朗日轨迹上游出发点的变 标” ：三＝ｚ 手— 已。因为该坐标既有贴 Ｔ一￡Ｊ ｓ＼ｘ’Ｙ１ 地“光滑”坐标特性，有利于模式贴地面层的输送通 量计算，同时，该坐标又兼有高度的性质，坐标面不 随时间变化，使坐标面上描述的运动在时间上是前 后一致的。 量值；右边表示两时问层的线性项 和非线性项 权重平均形式，要求： ＋卢 ＝１。较之欧拉显 式时间差分方案或者时间差分方案，半隐式一 半拉格朗日时间差分方案 是绝对稳定的，理论上 可以取很长的时间步长，可大大提高时间差分方案 的计算效率，而且具有良好的频散特性 。 对于标量（ 和盯），可以将热力学方程和连续 ２）模式大气参考廓线。对垂直运动方程（３）的 量纲分析可知，方程右边的第一项（气压梯度力项） 和第二项（重力加速度项）的量级为大项，引入“模 式参考大气：／／＝疗（。）＋Ⅱ 和 ：０（ｚ）＋ （疗 和 表示参考大气廓线；／／ 和 表示偏离参考大气 状态的扰动量），消除垂直运动方程中满足静力平 衡的分量，使垂直运动方程的差分计算中重力加速 度与气压梯度力之间由“大量级项”变为“扰动小量 方程直接写成式（９）的时间离散形式。对于矢量场 （／／， 和Ｗ）的时间离散化，需要采用不同于标量场 的时间离散化处理。矢量离散法是目前被认为较好 的方法 。采用非线性内插三维质点位移速度的 方法计算拉格朗日质点运动轨迹，确定上游出发点。 ２．４空间离散化方案 １）水平网格。作为一个区域与全球统一的数 值模式， 纬度格点模式是较理想的选择。一方 面，经／纬度网格模式的网格设计简单，另一方面，可 以很方便地设计有限区域与全球范围的嵌套模式 （如英国气象局的统一模式），也容易与海洋格点模 式相耦合。因此，ＧＲＡＰＥＳ模式水平方向采用等经 纬度的水平网格（见图１）和Ａｒａｋａｗａ Ｃ格式［１ ］ 一级项”，使之降低与方程中其他项的“量级差”，从而 有效地提高垂直运动方程的计算精度。 ２．３时间离散化方案 ＧＲＡＰＥＳ模式采用半隐式一半拉格朗日时间差 分方案，该方案已被世界各大业务气象中心的业务 数值天气预报模式所广泛采用，如ＥＣＭＷＦ、法国、 英国、德国、加拿大、日本、澳大利亚等国家气象业务 中心的业务数值预报模式，其计算公式可简化为： ” 一 变量跳点分布设置（见图２），以及二阶精度的 — ＿ 差分格式。 ２）垂直离散化。静力平衡模式由于忽略了垂 直运动预报方程（３），多采用Ｌｏｒｅｎｚ的跳层方法设 ４８中国工程科学 图１ 全球与区域统一模式的经纬度 网格系统设计 ‘ Ｆｉｇ．１ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌａｔｉｔｕｄｅ．１ｏｎｇｉｔｕｄｅ ｇｒｉｄ［ ・ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ－ｒｅｇｉｉｏｎａｌ ｕｎｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ 图２水平交叉Ａｒａｋａｗａ．Ｃ网格分布 ・ 】 Ｆｉｇ．２ Ａｒａｋａｗａ－Ｃ ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ［ ， ］ 置模式预报变量的垂直分布（见图３） 。而对于 采用三维运动方程的非静力平衡模式来说，采用非 均匀的Ｃｈａｒｎｅｙ—Ｐｈｉｌｉｐｓ跳层方法设置模式预报变量 的垂直分布¨引，有利于减少从模式动力框架计算到 物理过程参数化计算的温度场垂直插值计算，减小 了垂直气压梯度力项的计算误差，并且可以消除虚 假的斜压不稳定Ｈ 。有研究指出 加Ｊ，对于处理强 涡流与强层流系统、地转适应过程等问题，Ｃｈａｒｎｅｙ— Ｐｈｉｌｉｐｓ的跳层 设置优于Ｌｏｒｅｎｚ的跳层 设置。 目前，英国气象局的新一代模式采用Ｃｈａｒｎｅｙ．Ｐｈｉｌｉｐｓ 的跳层设置¨ 。因此，ＧＲＡＰＥＳ模式采用Ｃｈａｍｅｙ－ Ｐｈｉｌｉｐｓ的跳层¨ 设置。 Ｏ 谛………弹，Ｖ， …一一ｎｘ－１／２ ……－ ｌＩ， ……ｎｘ－１／２ …一一ｌ｜， 丌一……Ｚ斗１／２ ……－王｜．ｖｊｒ，Ｏ…一一ｋ＋ｌ／２ ０｜｝ｉｊ｝ ……一Ⅳ，Ｖ，７／＂一一－－－－１＋１／２ ……一Ⅳ ｖｊｒ，￣……－１＋１／２ 谛 １１ ——ｇｉｌＮＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ 豫｛｛＿｝｝ｌ㈨｝｛ ｊ（ａ）Ｃｈａｍｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ （ｂ）Ｌｏｒｅｎｚ 图３变量的Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ和Ｌｏｒｅｎｚ跳层分布 Ｐｉｇ．３ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｇｎｏｓｔｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｗｉｔｈ Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ’ａｎｄ Ｌｏｒｅｎｚ’Ｓ ｍｅｔｈｏｄｓ 注： ，０， ，ｌｆ，ｖ，分别表示模式预报变量垂直速度、位温、Ｅｘｎｅｒ气压 函数和东西、南北方向的水平风 ２．５模式程序软件的设计策略 为了搭建一个多尺度通用的或者全球／区域一体 化的数值天气预报模式，除了网格系统的选择、模式 大气的开关设置（ 、 ）以外，还要从软件工程构 造上采取适当的策略。参考国外其他国家数值预报 模式程序软件的设计策略，尤其是天气预报模式 （ＷＲＦ）的程序软件包基础架构，设计构建一套全新 的、统一的ＧＲＡＰＥＳ模式程序软件包，达到一套模式 程序软件包，满足多种研究与业务预报的应用需求。 １）标准化。参照其他领域的软件标准和美国、 ＥＣＭＷＦ、法国、英国等的数值天气预报系统软件编 程标准，建立了一套既要与国际接轨又要满足开发 合作与持续创新的实际需要的、基于ＦＯＲＴＲＡＮ－９０ 的气象数值预报模式程序编写标准。另外，建立一 套辅助程序转换实用工具，将已有的ＦＯＲＴＲＡＮ一７７ 程序半自动转换为ＦＯＲＴＲＡＮ－９０程序，以弥补采用 手工操作的程序移植方式引起的易出错、修改不全 面等的不足。 ２）模块化。所谓模式程序设计的模块化（在 ＦＯＲＴＲＡＮ－９０计算机语言中，称为“Ｍｏｄｕｌｅ”）就是 将数值天气预报系统中的科学计算内容，按照不同 的数值计算方法、计算内容、计算顺序、不同的物理 过程参数化方案等分为计算的模块进行编程， 达到根据不同的需要“插拔式”地选取不同的模块， 组装成针对不同的预报对象、不同研究目的的数值 ２０１２年第１４卷第９期４９ 预报模式，达到一套模式程序软件包却有多种研究 与业务预报用途的目的。例如，全球中期数值天气 预报模式、有限区域短期数值天气预报模式、中尺度 ３ ＧＲＡＰＥＳ模式的应用现状 白２００１年以来，在国家“十五”科技攻关计划、 数值天气预报模式、热带台风数值预报模式均是由 同一套“模块化”的程序软件包组装而成。 “十一五”科技支撑计划的支持下，中国气象局持续 投入，坚持自主研究发展了新一代数值天气预报业 务系统ＧＲＡＰＥＳ。ＧＲＡＰＥＳ模式有两个系列的应用 版本：ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ（区域中尺度模式）和ＧＲＡＰＥＳ —３）并行化。多节点多处理器体系结构的并行 计算机是未来高性能计算机的主流发展方向。因 此，要使数值天气预报系统在高性能并行计算机环 境下高效运行，对其模式程序作并行化计算处理是 不可缺少的重要工作。现有并行化数值天气预报模 ＧＦＳ（全球中期预报模式）。各区域气象业务中心 又在ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ模式的基础上，发展针对本区 域天气特点的业务与研究模式，如广州热带海洋气 式程序存在两方面的问题，一是大部分气象科学家 编写的数值模式，其并行化计算效率不高；二是经并 象研究所（简称广州热带所）的ＧＲＡＰＥＳ—ＴＭＭ（热 带气象模式），上海台风研究所（简称上海台风所） 的ＧＲＡＰＥＳ＿ＴＣＭ（热带气旋模式），成都高原气象研 究所（简称成都高原所）的ＧＲＡＰＥＳ＿ＴＰＭ（高原气象 模式）等。图５列举了ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ和ＧＲＡＰＥＳ— ＧＦＳ的主要发展历程。２００１年１月，ＧＲＡＰＥＳ计划 正式启动。２００４年３月，ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ Ｖ１．０ 行化计算编程专家优化的数值模式，其并行化计算 效率高，但模式程序的可读性较差。而且，由于高性 能并行计算机的快速更换，数值模式中并行化计算 的程序需要作相应的大量修改、优化。为了更好地 发挥气象科学家和并行化计算编程专家的优势作 用，并同时考虑到高性能并行计算机快速更换所带 来的影响，笔者研究团队设计了将模式程序分为 “驱动层”、“中介层”和“模式层”的“三层结构”的 （６０ ｋｍ）第一版建立，并在国家气象中心、广州热带 所实时试运行应用。２００５年５月，ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ升 级为Ｖ１．５（３０ ｋｍ），在国家气象中心、广州热带所、 上海台风所实时运行应用。２００６年７月，ＧＲＡＰＥＳ— 模式程序软件体系（见图４），使并行优化与串行模 式编程既可进行，又可有机组合，还可使程序易 读、易写、易改、易维护，可移植性强，通用性和灵活 性高。如图４所示，顶层为驱动层，该层与并行计算 机相关，底层为模式层，该层程序基本上是串行程 序，是大部分气象科学家的工作层。在顶层和底层 之间为中介层，将驱动层与模式层有机地连接起来， ＧＦＳ（１１０ ｋｍ）全球中期预报系统建立。２００８— ２０１０年，ＧＲＡＰＥＳ—Ｍｅｓｏ继续改进升级为Ｖ２．５ （１５０ ｋｍ）版本，在国家气象中心、广州热带所、上海 台风所、成都高原所业务运行应用。ＧＲＡＰＥＳ—ＧＦＳ （１１０ ｋｍ）全球中期预报系统正式版本确认Ｖ１．０ （５５ ｋｍ），并在国家气象中心业务运行应用。 在模式程序编译和运行时实现全套模式在负载较平 行的条件下并行化高效计算。 驱动层（并行设置） ｌＧＲＡＰＥＳ ｍａｉｎ ｌ —一．２０１ １年至今，ＧＲＡＰＥＳ区域模式和全球模式继续在 改进升级、应用。表３给出了广州热带所的 ＧＲＡＰＥＳ＿ＴＭＭ模式对南海热带气旋（台风）路径预 — — 一＼～一， —报误差的结果。从表３可以看出，路径预报误差逐 年在减小，也即预报水平在提高，对气象减灾防灾保 障服务起到了很好的科技支撑作用。 Ｉｈ ，＊ ｇＩ ＩＡＵｃ￣ａｎｄ ．ｃｍｌｉｇｕｍｌ ｌＩｎｉｔ ｄｃｔｎａｉｎ１ ｌ ＩｎｔｅｇａｒｔｅＩ ／ ｔ１７１＆Ｉ１ Ａ 中介层 一 ＩＳｏｌｖｅ—ｉｎｔｃｒｆａｃｅＩ ～～ｌ Ｓｏｌｖｅ—ｇｍｐｅｓ ｌ ｍ 、 图４ ＧＲＡＰＥＳ模式程序软件分层结构 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｌａｙｅｒ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＧＲＡＰＥＳ ｍｏｄｅｌ ｃｏｄｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ 图５ ＧＲＡＰＥＳ模式发展历程 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃ ｍｉｌｌｓｔｏｎｅｓ ｏｆ ＧＲＡＰＥＳ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ５０中国工程科学 表３南海热带气旋（台风）路径预报误差 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｒｏｐｉｃａｌ ｃｙｃｌｏｎｅｓ ｏｖｅｒ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ ｂｙ ＧＲＡＰＥＳ ｍｏｄｅｌ 注：数据由广州热带所提供 ＧＲＡＰＥＳ模式除了在气象部门的业务中心得到 应用以外，在大气科学研究与应用培训工作、集合预 报、大气科学观测模拟试验、沙尘暴预报、水文洪水 预警预报、热带气旋预报、快速更新循环（ＲＵＣ）等 领域也应用十分广泛，未来还将向气候模拟、闪电预 报等方向延伸（见图６）。 大气科学研究 实时业务应用 网／ 皂重是 墨： 用户：气象业务中心，大学，研究所 图６ ＧＲＡＰＥＳ模式的主要应用领域 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＧＲＡＰＥＳ 注：实线框表示已形成业务能力，虚线框表示尚未形成业务能 力，处于研究阶段 ４ ＧＲＡＰＥＳ模式的发展 ＧＲＡＰＥＳ模式的进一步发展涉及模式初值化、 模式动力框架、模式物理过程、专业应用模式拓展、 模式不确定性与集合预报等。这里只就模式动力框 架中的垂直坐标和网格系统问题进行讨论。 ４．１模式垂直坐标 为了易于处理模式计算域的下边界条件，气象 数值预报模式多采用下边界光滑的地形追随坐标， 其模式面随地形高低起伏，使得水平气压梯度力的 计算由原来的一项差分计算变成了两项差分计算之 差，其中一项是与地形坡度相联系的项，它会导致水 平气压梯度力计算的误差，这种误差影响从模式低 层一直到模式顶层。而且，随着模式水平分辨率的 提高，模式地形坡度越“陡峭”，引起的这类计算误 差越大。对此，有几种处理方法。第一种是修改气 压梯度力项的计算方案，例如：回插等压面法、递推 算法 、扣除法 ’圳、基于静力方程订正的气压回 插法［２４］等。第二种是卵一阶梯地形坐标 引，即用 等高面将模式地形切割成“台阶”状，水平等高面就 是模式面。第三种是构造新的地形追随坐标面随高 度衰减的函数，加快“弯曲”的地形追随坐标面随模 式高度增大而逐渐变水平 。 第三种方法的优点是通过对衰减系数的调节， 使得垂直坐标在底层受到地形作用的影响逐渐减 小，弯曲的坐标面逐渐趋缓，到了高层坐标面趋于平 直，更接近大气的真实状况（见图７）。这一点可以 从气压梯度力转换计算公式加以理解。 一 ’ ／７＝一ｃｐｏ’ ；ＩＩ＋ 丌 ｃ，ｏ・（ ６）・ ・ ［ （ ，Ｙ）］ （１０） ． 一 ； 。 ｛暄 噬 １｝｝｝１ 量 ８Ａ 水平方向的格点数 （ａ］原来坐标 ＼ ＼ ／＾＼ 。 Ｉ■Ｕ 水平方向的格点数 （ｂ）新的坐标 图７不同高度的水平模式面 ｉＦｇ．７ Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ 式（１０）左边项为自然高度坐标下的气压梯度 力项，经地形追随坐标转换后变成等式右边的两项， ２０１２年第１４卷第９期５１ 其中右边第二项是和地形坡度（ｂ）以及地形坡度 雅克比（Ｊ ）有关的项，６．， 随高度减小，至高层趋 于零，这时等式右边第一项等于左边项，意味着高层 大气运动趋于水平。ＧＲＡＰＥＳ模式将参考第三种方 法对垂直坐标加以改进。 ４．２模式水平网格系统 经纬度网格是世界上大多数国家气象业务中心 全球业务数值预报模式最常用的水平网格系统，其 优点在于容易构造应用，而且其正交的经纬线可以 和南北一东西风方向相一致，更易于描述模式大气 的水平运动和平流输送计算。但是，经纬度水平网 格系统存在致命的缺点。经线在南一北两极辐合 （见图１），使得靠近极区的格点距离要大大小于中 低赤道地区的格点距离（如模式水平分辨率取 ０．１。Ｘ０．１。时，在赤道附近的格距约为１１．１ ｋｍ， 而在极点附近的格距仅为０．０２ ｋｍ，两者之比达 ５７３），并最终在两极出现奇异点。这些给模式的差 分计算带来了极大的麻烦，解决的办法如下。 １）精简格点法。即将靠近极区处沿纬圈的格 点数减少，而且越靠近极点的纬圈，沿纬圈的格点数 精简越多。大多数谱展开模式采用此方法。 ２）球冠投影法。即将两极的区域（“球冠”）投 影到一个均匀网格面上进行差分计算，然后再映射 回两极区域。大多数格点差分模式采用此方法。 ３）设计一个分布较均匀的水平网格系统，避开 传统的经纬度网格经线辐合引起的计算不稳定的问 题，如三角形网格、六角形网格、多边形网格等。此 外，一种灵感可能来自中国古老的道教阴阳八卦理 念的新网格系统已被提了出来，这就是所谓的“阴 阳”网格系统 ，或称叠交网格系统（见图８ｃ）。 阴阳网格系统由两个相似的经纬度有限区域网 格构造成一个完整的全球网格系统，该网格具有格 点分布准均匀和“对称”、无奇异点的优点。该网格 的提出为有效解决经纬度网格在近极区格点辐合及 极地奇异点计算问题提供了新的思路和途径。另 外，阴阳网格系统的基础仍然是经纬度网格，仅仅是 一个坐标旋转变换的问题。 （ ｉＹｉ，，Ｚｉ）＝（一 ， ，Ｙ ） （１１） 式（１１）中， ＝ｃｏｓｑ￣・ｃｏｓＡ，Ｙ＝ｃｏｓｑ￣・ｓｉｎＡ． 。＝ｓｉｎ ；上标“ｉ”表示阴网格；上标“ａ”表示阳网 格；球坐标的计算域为： ：： 一一 一詈一 ≤ ≤４ ≤ ≤ ＋＋ ５２中国工程科学 Ａ： 手一６≤Ａ≤ ＋６ （１２） 式（１２）中， 为设定的阴阳网格重叠区。因 此，很容易地将经纬度系统转换成阴阳网格系统，自 然也很容易继承原来经纬度网格的程序软件。Ｐｅｎｇ 等于２００６年成功地实现了在阴阳网格系统上的欧 拉平流方案的理论计算 。Ｌｉ等也于同年成功地 实现了在阴阳网格系统上的拉格朗日平流计算 。 ＧＲＡＰＥＳ模式将采用阴阳网格系统以解决传统经纬 度网格的极区计算问题，并尝试全球一区域的双重 （或多重）同步双向嵌套的一体化运行策略。 （ａ）阴网格 （ｂ）阳网格 （。）阴一阳重叠网 图８阴阳网格设计 Ｆｉｇ．８ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｙｉｎ－Ｙａｎｇ ｇｒｉｄ ５ 结语 我国科学家自主研究发展的ＧＲＡＰＥＳ模式在 科学设计上采取了单一的动力框架、多种物理过程 参数化方案可选的科学策略，在软件工程上采用模 块化、标准化、并行化的软件程序编码技术，使之成 为多尺度统一模式，可以用于中尺度、短期区域、全 球中期天气预报，区域与全球气候预测，沙尘暴气溶 胶环境模拟等。水平尺度可从１ ｋｍ到１００ ｋｍ，时 间尺度可从几小时到２个星期，甚至到月、季、年。 这一模式科学设计所带来的优点是显然易见的。 １）使科研开发与业务预报模式平台统一，可加 快科研成果向业务应用的转化。 ２）可避免一个业务中心同时运行多套不同构 架的模式系统的局面，大大降低了业务运行及维护 成本，包括数值预报模式系统在不同体系结构的计 算机上的移植成本。 ３）便于更多领域（如数值模式动力框架、资料 同化、物理过程参数化、软件工程等）的研发人员参 与，集约化发展。 作为一个完整的数值天气预报系统，模式积分 的初始值生成方案——资料同化系统也是至关重要 的。ＧＲＡＰＥＳ的资料同化系统采用了基于泛函理论 的三维／四维变分同化技术（３Ｄ／４Ｄ ＶＡＲ．ＤＡ）［３０ ３， ｇｌｏｂａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ（ＧＥＭ）ｍｏｄｅ１．Ｐａｒｔ ＩＩ：Ｒｅｓｕｌｔｓ ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９８，１２６：１３９７—１４１８． ｌｅｎ Ｍ Ｊ Ｐ．Ｔｈｅ ｕｎｉｉｆｅｄ ｆｏｒｅｃａｓｔ／ｃｌｉｍａｔｅ ｍｏｄｅｌ『Ｊ］．Ｍｅｔｅｏｒｏ— ［９］ Ｃｕｌｌｏｇｉｃａｌ Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９３，１２２：８１—９４． ［１Ｏ］ Ｂｕｂｎｏｖａ Ｒ，Ｇｅｌｌｏ Ｇ，Ｂｅｒｎａｒｄ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｅｌａｓｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｅａｓｔ ｉｎ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｅｒｒａｉｎ－－ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏ・－ ｏｒｄｉｎａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ＡＲＰＥＧＥ／ＡＬＡＤＩＮ ＮＷＰ ｓｙｓｔｅｍ ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９５，１２３：５１５—５３５． ［１１］ Ｓｔａｎｉｆｏｒｔｈ Ａ，Ｃｏｔｅ Ｊ Ｊ．Ｓｅｍｉ—ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ， １９９１，１１９：２２０６—２２２３． 以便更有利于同化应用更多雷达、卫星遥感观测资 ｌ－Ｃｈｅｎ Ｔ．Ｓｏｍｍｅｒｖｉｌｌｅ Ｒ Ｃ Ｊ．Ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ａ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ［１２］ Ｇａ料，构造更协调的模式积分初值。变分资料同化技术 是目前世界上先进的业务应用技术。 天气气候无缝隙预报将是未来气象数值预报的 发展方向。针对天气气候无缝隙预报的问题， Ｓｈｕｋｌａ 指出没有科学根据可以人为地画出一条 边界来，区分中尺度预报、天气预报、季节预测、 ＥＮＳＯ（厄尔尼诺和南方涛动的合称）预测，年代际 预测以及气候变化。但是，从计算机资源、模式复杂 程度的实际情况考虑，可以建立满足不同时间尺度 需要的天气气候预报预测系统，而从研究的角度则 可以在一个统一的框架下发展天气气候预报预测系 统。ＧＲＡＰＥＳ模式是多尺度通用的一体化模式，也 为未来我国的天气气候无缝隙预报预测系统的研究 发展奠定了基础。 参考文献 ［１］ ａｊｅｅｋｎｅｓ Ｖ．Ｄａｓ Ｐｒｏｂｌｅｍ ｄｅｒ Ｗｅｔｔｅｒｖｏｒｈｅｍａｇｅ，ｂｅｔｒａｃｈｔｅｔ ｖｏｍ Ｓｔａｎｐｕｎｋｔ ｄｅｒ Ｍｅｅｈａｎｉｋ ｕｎｄ ｄｅｒ Ｐｈｙｓｉｋ［Ｊ］．Ｍｅｔｅｏｒ Ｚｅｉｔｓ，１９０４， ２１：１—７． ［２］Ｃｈａｒｎｅｙ Ｊ Ｇ，Ｆｊ￣ｒｔｏｆｔ Ｒ，Ｖｏｎ Ｎｅｕｍａｎ Ｊ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｒｏｔｒｏｐｉｃ ｖｏｒｔｉｃｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｅｌｌｕｓ，１９５０，２：２３７—２５４． ［３］ 陈德辉，薛纪善，杨学胜，等．ＧＲＡＰＥＳ新一代全 区域多尺 度统一数值预报模式总体设计研究［Ｊ］．科学通报，２００８，５３ （２Ｏ）：２３９６—２４０７． ［４］薛纪善，陈德辉，沈学顺，等．数值预报系统ＧＲＡＰＥＳ的科学设 计与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００８． ［５］Ｈａｌｔｉｎｅｒ Ｇ Ｊ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｒ Ｔ．Ｎｕｍｅｉｒｃａｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ［Ｍ］．２ｎｄ ｅｄ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｐｒｅｓｓ， １９８０：１—３． ［６］ Ｋａｌｎａｙ Ｅ．Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ｄａｔａ Ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｅｄｉｃｔａ－ ｂｉｌｉｔｙ［Ｍ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００３：４— １２． ［７］Ｃｏｔｅ Ｊ，Ｇｒａｖｅｌ Ｓ，Ｍｅｔｈｏｔ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ＣＭＣ—ＭＲＢ Ｇｌｏｂａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ Ｍｕｌｔｉｓｃａｌｅ（ＧＥＭ）ｍｏｄｅ１．Ｐａｒｔ Ｉ：Ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ， １９９８，１２６：１３７３—１３９５． ［８］Ｃｏｔｅ Ｊ，Ｇｒａｖｅｌ Ｓ，Ｍｅｔｈｏｔ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ＣＭＣ－ＭＲＢ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｖｉｅｓ－Ｓｔｏｋｅｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９７５，１７：２０９—２２８． ［１３］ Ｒｏｂｅｒｔ Ａ．Ａ ｓｅｍｉ ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ａｎｄ ｓｅｍｉ ｉｍｐｌｉｃｉｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｇｒａ— ｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ ｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ，１９８２，６０：３１９—３２５． ［１４］ Ｈｏｒｔｌａ Ｍ．Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃ ｏｆ； ｔｈｅ ＥＣＭＷＦ ｍｏｄｅｌ［ｃ］／／ ｒＬ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＣＭＷＷＦ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｒｅｅｅｎｔ＂ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｊ １Ｊ １Ｊ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ．Ｕ．Ｋ．：Ｓｈｉｎｆｉｅｌｄ Ｐａｒｋ，１９９９：１２７—１４３． ［１５］ Ｑｉａｎ Ｊ Ｈ．Ｓｅｍａｚｚｉ Ｆ Ｈ Ｍ．Ｓｅｒｏｇｇｓ Ｊ Ｓ．Ａ ｇｌｏｂａｌ ｎｏｎｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｅ ｓｅｍｉ．Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｏｒｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９８，１２６：７４７—７７０． ［１６］ Ａｒａｋａｗａ Ａ，Ｌａｍｂ Ｖ Ｒ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｄｙ－ ｎａｍｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＵＣＬＡ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ［Ｍ］／／ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９７７：１７４—２６５． Ｌｏｒｅｎｚ Ｅ Ｎ．Ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｆｌｏｗ ｗｈｉｃｈ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｍａｎｙ ｓｃａｌｅｓ ｏｆｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｅｌｌｕｓ，１９６９，２１：２８９—３０７． Ｃｈａｒｎｅｙ Ｊ Ｇ，Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ Ａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｑｕａｓｉ－ ｇｅｏｓｔｒｏｐｈｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｂａｒｏｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｂａｒｏｃｌｉｎｉｃ ｆｌｏｗｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，１９５３，１０：７１～９９． Ａｒａｋａｗａ Ａ，Ｋｏｎｏｒ Ｃ Ｓ．Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｈａｍｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ ｄ ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ ｏ＇－ｐ ｖｅｒｔｉ— ｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９６，１２４：５１１— ５２８． ［２０］ Ｃｕｌｌｅｎ Ｍ Ｊ Ｐ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ＮＷＷＰ ｍｏｄｅｌｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＥＣＭＷＦ Ｗｏｒｋ— ｓｈｏｐ ｏｎ Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ａｔｍｏｓ— ｐｈｅｒｉｃ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ．Ｕ．Ｋ．：Ｓｈｉｎｆｉｅｌｄ Ｐａｒｋ，１９９９：４１８—４４１． ［２１］ 杨晓娟，钱永甫．ｐ－ｏ＂坐标系数值模式中气压梯度力的递推 算法［Ｊ］．大气科学，２００３，２７（２）：１７１—１８１． ［２２］ 钱永甫，王云峰．数值模式中气压梯度力的算法试验［Ｊ］．气 象学报，１９９１，４９（３）：５３８—５４７． ［２３］ 周天军，钱永甫．地形区两种典型气压梯度力计算方法的比 较［Ｊ］．应用气象学报，１９９６，７（３）：３７７—３８０． ［２４］ 胡江林，王盘兴．地形跟随坐标下的中尺度模式气压梯度力 计算误差分析及其改进方案［Ｊ］．大气科学，２００７，３１（１）： １１Ｏ—ｌ１８． ［２５］ Ｍｅｓｉｎｇｅｒ Ｆ．Ａ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｕｎｔｉａｎｓ ｉｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｒｉｖｉｓｔａ ｄｉ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉａ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ， ２０１２年第１４卷第９期５３ ｌ９８４，４４：１９５—２０２． ［２９］ ｕ Ｘｉｎｇｌｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｄｅｈｕｉ，Ｐｅｎｇ Ｘｉｎｄｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ・－Ｉａｇｎｍｓｉａｎ ａｄｖｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｎ ａ ｑｕａｓｉ・・ｕｎｉ￣ｒｍ ｏｖｅｒ－ ［２６］Ｓｅｈａｒ Ｃ，ＬｅｕｅｎｂｅｒｇｅｒＤ，Ｆｕｈｒｅｒ０，ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｅｗｔｅｒｒａｉｎ－ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｓｅｔ ｓｒｉｄ ｏｎ ａ ｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２００６，２３（５）：７９２—８０１． ［Ｊ］．Ｍｏｎｔｈｌｙ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒｅｖｉｅｗ，２００２，１３０：２４５９—２４８０． ［２７］Ｋａｇｅｙａｍａ Ａ，Ｓａｔｏ Ｔ．Ｔｈｅ“Ｙｉｎ—Ｙａｎｇ ｇｉｒｄ”：ａｎ ｏｖｅｒｓｅｔ ｇｉｒｄ ｉｎ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍｓ， ２００４，５：１—１５． ［３０］ 薛纪善，庄世宇，朱国富，等．新一代全球／区域多尺度通用变 分同化系统研究［Ｊ］．科学通报，２００８，５３（２０）：２４０７—２４１７． ［３１］Ｓｈｕｋｌａ Ｊ．Ｓｅａｍｌｅｓｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆｗｅａｔｈｅｒａｎｄ ｃｌｉｍａｔｅ：ａ ｎＬ：ｗ￣ｐａｒ－ ａｄｉｇｍ ｆｏｒ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｃ］／／Ｕ．Ｓ．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｃｅａｎｉｃ ａｎｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ“Ｃｌｉｍａｔｅ Ｔｅｓｔ Ｂｅｄ Ｊｏｉｎｔ Ｓｅｍｉｎａｒ Ｓｅｒｉｅｓ”，ＮＣＥＰ．Ｍａｒｙｌａｎｄ：Ｃａｍｐ Ｓｐｒｉｎｇｓ，２００９：１０． ［２８］Ｐｅｎｇ Ｘ，Ｘｉａｏ Ｆ，Ｔａｋａｈａｓｈｉ Ｋ．Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｆｏｒ ａ ｑｕａｓｉ—ｕｎｉｆｏｒｍ ｏｖｅｒｓｅｔ ｇｒｉｄ ｏｎ ｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｍｅｔｅｏｒｅｌｏｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００６，１３２：９７９—９９６． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｗｅａｔｈｅｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＧＲＡＰＥＳ） Ｃｈｅｎ Ｄｅｈｕｉ ，Ｘｕｅ Ｊｉｓｈａｎ２ Ｓｈｅｎ Ｘｕｅｓｈｕｎ ，Ｓｕｎ Ｊｉａｎ ， ，Ｗａｎ Ｑｉｌｉｎ３，Ｊｉｎ Ｚｈｉｙａｎ ，Ｌｉ Ｘｉｎｇｌｉａｎｇ （１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８ １，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００８０，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ／ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ（ＣＭＡ）ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｆｕｌｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ／ｎｏｎ—ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｏｎｇｌｏｂａｌ／ｒｅｇｉｏｎａｌ ｕｎｉｉｅｄ ｍｏｄｅｌ，ｓｅｍｉ ｆ，ｉｍｐｌｉｃｉｔ—ｓｅｍｉ Ｌａｇｒａｎｇｅ ｄｅｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｏｆｔ— ｗａｒｅ，ｅｔｃ．ＧＲＡＰＥＳ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｅｎｔｅｒｓ，ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｗｅａｔｈｅｒ ｆｏｒｅｃａｓｔ；ｇｌｏｂａｌ／ｒｅｇｉｏｎａｌ ｕｎｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ；ｄｙｎａｍｉｃ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ； ｄａｔａ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ５４中国工程科学
