AREM的发展历程

  针对青藏高原及其周边复杂地形对我国天气气候的重要影响和数值预报模式中陡峭地形处理的挑战,中国科学家就如何克服数值预报模式中地形的虚假影响作了大量富有成效的工作。早在1963年,曾庆存先生就提出了标准层结静力扣除法(曾庆存,1963),通过它把大气运动表示为相对于一个“标准状态大气”偏差的变化,减小由于陡峭地形的影响使得大气运动方程组在数值计算中常出现的“大项小差”所产生的计算误差,提高计算精度。颜宏和钱永甫教授(1981)在上个世纪70年代末和80年代初曾对有地形数值模式中的气压梯度力计算问题进行讨论。钱永甫教授等(1986)根据差分变换原理提出了“差微差”(DDD)法计算气压梯度力,并在此基础上设计了一种计算陡峭地形区气压梯度力的新方法,即误差扣除法。为解决σ坐标面倾斜的问题,曾庆存先生在1982年曾提出过一种修正的σ坐标(个人通讯),与Mesinger(1984)发表的 坐标基本一致。 坐标保留了σ坐标的优点,下边界条件简单,而克服了σ坐标的缺点,保持坐标面为准水平。在曾庆存先生的支持和指导下,中国科学院大气物理研究所于1986年开始发展一个能考虑陡峭地形的数值预报模式框架(宇如聪,1989)。针对暴雨模式中水汽平流处理的困难,对该模式设计了适合我国计算机能力的有很好计算效果的保形正定输送方案(宇如聪,1994,1995),较好地保证了模式中与暴雨直接关联的水汽输送计算的真实性。利用该模式先后对青藏高原背风气旋的生成发展、我国受地形影响最为典型的暴雨现象,“雅安天漏”作了成功的数值模拟(彭贵康等,1994;宇如聪等,1994;曾庆存等,1994)。

  为了使研究工作不仅仅停留在数值试验和理论研究上,从1993年开始对该模式的实际应用和业务化做了大量富有成效的工作。为进行实时预报试验,建立了包括解码、检误、质量控制和客观分析为一体的初始处理系统。在1993年汛期,首先使用该模式在中科院大气所天气气候预测中心开展实时预报试验,在1994年汛期同时在中科院大气所和湖南省开展实时预报试验,都取得了很好的试验效果(宇如聪,1994)。在模式的模拟预报能力得到充分的认识和肯定后,于1995年春天,在中科院大气所举办了该模式在国内的推广学习班并正式命名为REM(Regional Eta-coordinate Model)。很快REM在国内外从事气象、水文、环境和军事的科研和业务单位得到广泛使用,研究领域包括暴雨模拟预报(董佩明和赵思雄,2003;张万诚等,2003;崔春光等,2002;马文彦等,2002;钟晓平等,2001;卿清涛等,2000;周祖刚等,2000;钟晓平等,2000;周祖刚等,1999;方慈安等,1999;唐晓玲等,1998;陈红等,1998;赵思雄,1998;王业桂等,1996)、降雪模拟研究(卿清涛等,1999),干旱过程和评估研究(张利平等,2003;董加瑞等,1997),水情预报监测(张克家等,2001)、环境污染模拟预报研究(鞠丽霞等,2003;王志国等,2003;韩志伟等,2002;张美根等,2001;张美根等,1999;安俊岭等,1999;高会旺等,1999;高会旺等,1998;高会旺等,1997)、飑线等中尺度系统研究(周祖刚等,2002;李鸿洲等,1999;田珍富等,1998)、台风暴雨研究(姜勇强等,2003;蔡则怡等,1997)等,成为我国从事暴雨等中尺度研究和预报的主要工具之一(徐幼平等,2004,黄彦彬等,2003;宇如聪等,2001;崔春光等,2000;张维桓等,2000)。产生了很好的经济效益和军事效益。以REM模式为主要工具而开展的科研项目和建立的预报系统先后获得过湖北省科技进步一等奖(2005)、湖南省科技进步二等奖(1997)、军队科技进步二等奖(2000)、水利部黄河水利委员会科技进步二等奖(1999)和一等奖(2002)等。1998年11月9日到12月5日,中科院大气所国际气候和环境中心(ICCES)在北京举办了第三世界科学院数值预报(ETA模式)培训班,向巴基斯坦、叙利亚、斯里兰卡和泰国等国家介绍和推广了REM模式。REM已在一些周边国家得到较好的应用,在国际上产生了一定的影响(Zhao,1997; FawzHaq and Siddiqui,2001;Nakapan and Kreasuwan, 2002)。在从1995到1998年的期间内,REM在不断扩大其应用范围的同时,有的用户根据自身研究和应用的需要针对模式的有些问题也进行了必要的修改和发展(周祖刚等,1999),但由于缺乏必要的经费支持和组织合作,就整体模式结构和模拟预报能力与初次释放的REM版本没有根本性的改变。从1999年到2003年,在国家重点基础研究发展规划项目“我国重大天气灾害的机理和预测理论研究”、中国科学院知识创新工程项目、国防预研项目等的支持和组织下,REM在模式结构、模式分辨率、模式标准化、侧边界条件、模式物理过程参数化和模式初值生成等方面得到了巨大的发展和更新,从而建立了一个较先进的有限区域 -坐标暴雨数值预报(AREM)。发展升级后的第一模式版本AREM2.1于2002年首先在安徽省和湖北省气象局开展了业务实时预报试验。根据湖北省气象局同时对原REM和AREM2.1预报结果的比较来看,AREM2.1的暴雨预报能力相对于原REM有明显的改进。两年的业务实时预报试验,模式已为长江流域和淮河流域的汛期抗洪抢险提供了重要的降水预报信息。中国气象报、科学时报、科技日报、《走进科学》杂志等新闻媒体在对2003年汛期抗洪抢险的有关报道中,均提到了该模式对关键时段降水预报和气象科学决策的重要贡献。在AREM2.1对外释放以后,近两年又先后完成了新的模式版本AREM2.3和AREM3.0。为了使新的模式版本能尽快为我国的暴雨研究和预报服务,中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室联合中国气象局武汉暴雨研究所和北京应用气象研究所,于2004年4月22-23日在北京举办了AREM推广应用培训班。著名暴雨专家陶诗言院士、国家气象中心主任章国材先生和国家重点基础研究发展规划项目"我国重大天气灾害的机理和预测理论研究"首席科学家倪允琪教授等亲临培训班指导和支持。有来自西藏、四川、湖北、安徽、湖南、云南、河南、吉林、广西、山东、上海、陕西、浙江、北京等省市自治区从事气象、海洋和水文的业务和科研人员约50位专家学者及研究生参加了培训班的交流和讨论。

  在从REM到AREM的发展过程中,为了建立一个具有当代先进科技水平的(state of the art)暴雨数值预报模式,首先对原REM的程序进行了全面改写,使得AREM具有较高的模块化结构,便于模式的高效发展和推广应用。由于原REM发展的着眼点是使模式框架能适应陡峭复杂地形,对模式物理过程没有很好地选取和调试。所以更新和完善模式物理过程是发展AREM的工作重点。当然,由于受当时计算机条件的限制,从REM到AREM的发展,提高模式分辨率也是必不可少的工作内容。表1给出了AREM上述三个模式版本在分辨率、模式层顶、主要物理过程和初值处理上的差异。


表1 AREM不同版本的主要特征与区别


  所有版本的AREM模式都具有模块化的结构和作业卡方式的运行功能。这也是AREM版本模式与原REM在模式程序技术上的重要改进。AREM2.1相对于原REM的主要发展除模式的结构和运行功能发生根本性的变化外,模式的水平和垂直分辨率提高了一倍,模式边界层替换了原来的K-扩散局地方案,引进了非局地的边界层参数化方案,模式初值的客观分析增加了以NCEP再分析资料或T106或T213资料作为背景场。AREM2.3和AREM2.1的主要改进是抬高了模式层顶,从100毫巴增至10毫巴,建立了显式的云雨预报方案,替代了原来隐式的格点饱和凝结大尺度降水方案,改进了地表感热和潜热的计算方案。AREM3.0是目前最高分辨率模式的初始版本,与AREM2版本模式的主要变化是模式分辨又提高了一倍,增加了与CLM陆面耦合和时变侧边界的选择功能,引进了一个完整的辐射传输方案。最终的AREM3模式将包括较完善的物理过程和完备的同化初值系统,能满足目前区域模式开展短时天气预报和区域天气气候模拟研究等主要需求。