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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、现状与问题分析
（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。TL639L60 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TL1279 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TL639 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）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GRAPES系统中存在的主要问题可归纳为：
（1）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。
二、指导思想与发展目标
（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、30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。
三、主要任务
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。
②重点任务
设计考虑地形影响的差分方案。设计包括地形影响项的新计算方案，采用对微分方程直接差分，再导出预报变量的时间积分方程的差分格式，同时通过重新设计各计算项的差分方案，在Helmholtz方程中每一点气压设计从原方案中的周围19点改为27点，以提高气压梯度力的计算精度。
改进和完善模式垂直坐标。模式中低层采用地形跟随而在模式高层使用几何高度作垂直坐标，改进模式动力框架高层的计算误差。
构造阴阳网格。改进GRAPES模式在南北两极区的预报效果；构造守恒格式的半隐式半拉格朗日计算方案。
③年度计划
2011年，实现考虑地形影响的差分方案，提高模式计算稳定性，新计算方案使地形项得到更合理的处理, 气压梯度力精度更高，同时实现GRAPES模式高度地形-高度混合坐标；2012年，GRAPES模式高度地形-高度混合坐标的批量测试，增加模式平流层过程，垂直方向上延伸至平流层；2013年，完成守恒格式的半隐式半拉格朗日计算方案；2014-2015年，完成GRAPES阴阳网格模式的开发。
（2）物理过程
①现状及主要问题分析
现有版本存在的问题包括：在东亚地区模式前三天的预报技巧下降太快；模式层顶有比较明显的冷偏差；副高预报偏弱；地面温度系统性偏暖，尤其是非洲北部和格陵兰地区；东亚地区900hPa以下温度偏暖，而850hPa附近又偏冷；华南夏季降水偏多，赤道西太平洋降水明显偏弱；云量分布不够合理，辐射收支存在较大偏差；个别台风生成初期环流较弱甚至没有反映，位置误差较大。
产生这些问题的可能原因包括：现有物理过程方案来源于不同模式，方案引进以后没有针对各方案的特点进行系统、详细的诊断和细致合理的调试。地面温度系统性偏暖可能与陆面方案对土壤温度和湿度初值均采用气候平均值的处理有关，方案本身对陆面过程和云辐射相互作用的描述不完善也可能是其中的原因。副高偏弱，华南降水偏多，赤道西太平洋降水明显偏弱可能与目前的对流参数化方案不够活跃有关。降水的预报问题与目前全球GRAPES模式的水物质不守恒也有一定的关系，但物理过程参数化的贡献要更大一些。 东亚地区900hPa以下温度偏暖，而850hPa附近又偏冷可能与浅对流和边界层方案的不完善有关。云量分布不够合理、辐射收支存在较大偏差的原因与水凝物含量结合相对湿度诊断云量的方法存在局限性、现有微物理方案的缺陷造成水凝物的预报不完善、水汽和水凝物的正定和守恒性仍需改进有关。边界过程和对流与云的产生也密切相关，需要系统地诊断是否存在这方面的原因。台风预报的问题除了主要与海洋上资料稀少有关外，对流参数化、边界层参数化以及微物理过程对台风过程的描述存在缺陷也是其中的原因。
②重点任务
改进云、降水方案。开展云微物理和对流参数化方案的优化，以及网格尺度和次网格尺度相互作用的研究；改进云降水方案中的主要云物理过程和积云对流方案中的对流触发机制，提高水汽和水凝物的正定和守恒性。
改善辐射收支和能量平衡。在对模式详细诊断的基础上，通过改进次网格尺度云的非均匀性对辐射的影响，引进最新气溶胶资料，改进表面反照率参数化方案，减少辐射收支误差，改善能量平衡。
优化下垫面初值和资料。采用模式6小时预报的背景场与大气分析资料驱动离线的陆面模式获得的土壤温度和湿度的气候值加权平均的初始化方案；引进更新植被、积雪等下垫面资料。
优化物理过程之间相互作用和物理过程与动力框架之间的协调性。通过改进物理过程，合理改进陆面-边界层相互作用、边界层-对流相互作用的描述。研究模式动力框架的垂直分层和模式层顶及最低层高度的设置、变量的分布对物理过程参数化的影响。
③年度计划
2011 年，针对各物理过程进行全面系统的诊断方法研究，并利用常规和各种卫星资料，对现有版本进行深入诊断；在此基础上，改进次网格尺度云的非均匀性对辐射的影响和对流参数化方案的对流触发机制以及对流与边界层的相互作用；初步建立陆面初始化方案，进行双参数显式云降水方案批量预报试验，进一步改进降水预报效果。
2012年，在提高垂直分辨率的基础上，实现平流层物理过程的引入；改进与台风强度预报相关的边界层、云和降水等物理过程；云量预报由用水凝物含量结合相对湿度诊断云量的方法, 改进为由动力预报方程预报；改进格点尺度云液水和云冰水预报偏少的“补偿”方法 (主要是针对辐射计算)；实现利用最新气溶胶资料改进表面反照率参数化方案。
2013年，优化次网格积云对流和边界层过程对网格尺度云预报的影响；优化陆面-边界层相互作用、边界层-对流相互作用，并使其与GRAPES全球模式的动力框架相协调；改进陆面过程参数化及初值，减少模式对欧亚大陆区域地表水文参数、热状况参数的模拟偏差；全面完成GRAPES全球模式的升级并进行长时间连续预报试验。
2014-2015 年，开展云宏微观特征的预报试验研究，改进云降水方案；评估云方案中主要云物理过程对辐射的影响，为辐射方案提供更合理的云参数预报。开展包含大气的垂直特性、低云的特点、云层特性、对流层逆温、非均匀下垫面的陆面和边界层过程应用研究；结合城市化的信息，引入更详细的微物理过程，减少冰相微物理过程的不确定性。
2.区域模式
（1）现状及主要问题分析
新版GRAPES_MESO （V3.0）自2010年4月业务运行以来，提高了模式的总降雨预报技巧，但也暴露出了一些新的问题，首先是系统运行不稳定，出现计算溢出，造成运行中断；预报偏差太大（高原地形陡峭的东侧降雨量偏大更为明显），模式预报降雨量偏强；进一步分析发现，模式格点尺度降雨过小，模式预报总降雨量主要来自次网格对流降雨的贡献，而且在地理分布上次网格对流降雨在中高纬度地区仍然很强；现有的全国区域三维变分同化系统仍然是非连续的同化分析系统；初始水物质三维结构场不够合理；随着模式分辨率进一步提高，模式地形将更为陡峭，在陡峭地形追随坐标面上的拉格朗日轨迹的精确计算需要进一步改进等。
（2）重点任务
发展全国范围5 公里分辨率的精细尺度数值预报模式，重点对模式动力框架的计算精度、稳定性和合理性，以及模式物理过程的协调性与精细化做进一步的研发。需要解决的关键技术包括：模式动力框架的计算稳定性提高与中尺度陡峭地形的处理方法，以及模式标量（水物质、位温）平流的高精度计算；地形、植被分布、土壤特性等高分辨率下垫面的更新应用及精细下垫面非均匀性的预报影响；陆面、边界层过程的精细化应用；结合野外观测试验或其他遥感观测资料的分析，诊断降水物理参数化方案的误差来源，改进模式水物质循环平衡、云模式与降水微物理过程参数化；分析改进高原地形引起的降水偏大的问题；改进小尺度地形动力作用的参数化；模式多重嵌套技术和可移动嵌套技术的开发；模式初始水物质分布场的改进与系统连续循环同化预报；发展以天气雷达和地面自动站资料为主体，包含多种遥感观测资料的中尺度资料同化技术与业务同化系统，改进模式预报的初始场。
以稳定运行的5km 模式为基础，研究分析物理过程的整体合理性、物理过程与动力过程的协调关系、模式初值形成、特别是四维变分同化系统的连接和雷达资料的同化应用等，优化提高模式对强天气过程的预报能力。建立可移动小区域（分辨率达2km）的快速分析预报系统（RAFS），并实现业务运行，提供时间间隔小于3小时的预报输出产品以及高时-空分辨率的丰富的中尺度分析产品。
（3）年度计划
2011年，完善现有15km 的GRAPES_MESO （V3.0）系统，通过研究分析动力框架的水物质输送循环平衡、次网格对流降雨与格点微物理过程降雨的配置合理性、近地面边界层水汽输送与地面降雨的循环平衡、水物质三维结构场分布合理性等，解决现有系统运行不稳定和模式预报降雨量偏大的问题。
2012年，进一步提高模式动力框架的计算精度、稳定性，以及模式物理过程的协调性与精细化，解决模式框架的计算精度、物理过程的合理性。
2013年，解决地形、植被分布、土壤特性等高分辨率下垫面的更新应用及精细下垫面非均匀性的预报影响，优化陆面、边界层过程的精细化应用。改进小尺度地形动力作用的参数化。
2014-2015年，在上述工作基础上将模式分辨率提高，建立运行稳定的5km高分辨率模式系统。完成RAFS快速分析预报系统的可移动区域模式（分辨率达2km）与云分析模块的耦合，并进行初步试验。
3.资料同化与应用
在资料同化系统一体化的框架下，针对全球模式和区域模式发展需要，重点完善观测资料的质量控制，完善GRAPES 三维变分同化系统， 发展GRAPES四维变分同化系统，逐步改进卫星、雷达等遥感资料和近地面稠密资料的同化应用效果。全球同化系统的重点是卫星辐射率资料，区域同化系统的重点是与降水相关的高时空分辨率的观测资料（包括雷达径向风和反射率、地基GPS可降水量和地面自动站观测资料等）。
（1）现状及主要问题分析
现有GRAPES 变分同化系统，主要问题表现在三个方面：同化的观测资料无论从种类还是数量与国际上主要先进数值预报中心都有较大差距。目前GRAPES全球中期数值预报业务系统每天有效同化利用的资料总量大约相当于NCEP、ECMWF的十分之一；对中期预报起决定性作用的卫星资料利用量占资料总量的比例，ECMWF已达到90%以上，而GRAPES只占40%左右。全球三维变分同化系统不够完善，全球四维变分同化系统仍未建立。各类观测资料的质量控制不够细致，对已有观测资料同化应用效果有待提高。
（2）重点任务
优化改进变分同化框架，优化同化过程中的模式物理过程计算方案，提高并行计算效率和四维变分同化的海量数据快速处理能力；提高卫星、雷达、地面自动站等多种资料的精细质量控制水平；优化各种资料的同化技术，提高资料使用率和使用效果；改进快速同化分析与预报循环方案，实现多源稠密资料的有效同化应用。
（3）年度计划
2011年，针对中国区域内的探空资料、地面自动站、降水观测、GPS 地面和空间观测、风廓线仪观测、雷达观测等各种资料，发展完善各自的质量控制方案；优化完善全球与区域GRAPES同化系统基本框架的功能细节与效果，提高同化精度；优化现有卫星观测资料的质量控制、同化技术，并对同化效果进行系统评估。全球系统重点引入新的极轨卫星ATOVS资料，重点包括 NOAA19、FY3（A，B）的微波探测资料；区域系统重点改进GPS可降水量资料和地面自动站资料的同化。
2012年，完善和改进区域四维变分同化业务系统，实现高时空分辨率观测资料在区域四维变分同化中的应用，重点解决Doppler雷达径向风和反射率的质量控制和同化关键技术问题；建立串行版全球四维变分同化系统，重点引入高光谱红外资料（AIRS和IASI资料），研究主动与被动遥感的云与降水观测资料同化的关键技术。卫星等非常规资料达到同化资料总数的50-60%左右。
2013年，发展和改进全球切线性和伴随模式中简化的物理过程及其并行版的全球四维变分同化系统；开展全球四维变分同化的准业务试验；研究卫星遥感的地表、海表物理参数在数值预报中的使用；改进陆地上卫星资料的同化应用；细化多种观测资料的质量控制与优化筛选。
2014-2015年，进行全球四维变分同化系统准业务运行试验，非常规资料占同化资料总量的70-80%左右；进行区域四维变分同化系统与5km分辨率的GRAPES区域模式的业务运行试验；完善RAFS系统的稠密资料同化技术，实现连续循环业务运行；为区域、省级气象局稠密资料同化系统试验应用提供新版本和技术支持，提供区域四维变分同化系统试验应用。
4.集合预报
（1）现状及主要问题分析
建立基于奇异向量初值扰动方法的GRAPES 集合预报系统是GRAPES模式业务系统建设的重要目标。目前，正在进行基础性的奇异向量初值扰动计算技术的研究，尚未建立GRAPES集合预报试验系统。需要解决的主要关键技术是奇异向量扰动的有效并行计算、构建集合预报系统的初值扰动技术和物理过程扰动技术。
（2）重点任务
重点围绕模式初值扰动和模式物理过程扰动方法、集合预报产品集成和解释应用技术等进行研究。重点任务包括：发展基于GRAPES 奇异向量的初值扰动方法，开展线性化物理过程对赤道及赤道外地区扰动影响的研究，提高集合样本的发散度，建立GRAPES全球集合预报试验系统；发展模式物理过程扰动技术，提高集合样本的发散度，提高集合预报效果；开展基于TIGGE的多中心集合预报产品的应用研发。
（3）年度计划
2011年，开展GRAPES全球模式奇异向量扰动计算方案的研究。完善GRAPES区域奇异向量扰动计算方案。
2012年，开展奇异向量结构影响关键因子的技术研究和奇异向量计算高效并行技术的开发。完成GRAPES区域奇异向量扰动模块并行计算及其优化；建立基于奇异向量初值扰动技术的GRAPES区域集合预报系统，并开展批量试验。
2013年，建立基于奇异向量技术的全球集合预报试验系统，开展初步试验。开展区域集合预报系统的准业务试验。
2014-2015年，进行GRAPES集合预报系统模式扰动技术的开发；提高全球和区域GRAPES集合预报系统的分辨率；完善集合预报后处理系统。
5.台风模式
（1）现状及主要问题分析
GRAPES全球模式系统背景场中台风涡旋位置误差偏大、强度偏弱。涡旋初始化技术移植到GRAPES全球模式效果不明显，需要结合人造台风资料开发新的涡旋初始化方案。同时在物理过程与动力框架的协调、物理量的交换方面需要改进。
（2）重点任务
重点围绕台风模式初始化以及卫星资料在初值化中的应用、物理过程改进和集合预报技术等方面进行研究。重点任务包括：优化目前业务台风涡旋初值形成技术，并将其与GRAPES 全球模式耦合，建立GRAPES全球台风数值预报系统，提高GRAPES全球模式对台风路径的预报能力；发展有效融合卫星雷达等多源观测资料的台风模式初始化技术，改进台风涡旋初值；研究改进台风模式物理过程参数化方案，提高GRAPES模式的风雨预报能力；研究GRAPES台风集合预报扰动技术，降低台风数值预报的不确定性。优化海洋模式及耦合技术，开发海-气-浪耦合模式系统，提升和优化海气耦合模式计算效率，实现海气耦合模式在业务中应用。
（3）年度计划
2011年，建立50km分辨率GRAPES全球台风数值预报试验系统，实现试运行，提高台风路径预报能力；对人造台风资料方案进行个例试验；诊断物理过程对台风强度、降水的影响；实现海洋模式的优化和并行计算。
2012年，进一步评估GRAPES 全球模式系统对台风的预报能力，改进涡旋初始化技术，实现50km GRAPES全球台风模式系统同全球模式系统的一体化;开发融合观测资料（QSCAT、云导风等）和人造台风资料的资料优选方案；针对2011年的物理过程诊断结果进行相应的物理过程改进；进一步优化耦合技术；开展集合预报扰动方法研究。
2013年，针对25km GRAPES全球模式系统，优化涡旋初始化技术；完成观测资料（人造台风资料、QSCAT、云导风等）在涡旋初始化中的对比试验；改进涡旋初始化技术以及物理过程，改进模式对台风强度、降水的预报能力；建立可实时运行的海气耦合系统；进行台风集合预报个例试验。
2014-2015年，实现25km GRAPES台风模式一体化系统的运行，进一步完善人造台风资料同化涡旋初始化技术并在业务系统中应用；完善台风集合预报扰动技术并进行试验运行。完善海气耦合模式系统并准业务运行。
6.并行计算技术
（1）现状及主要问题分析
GRAPES模式系统在并行计算中存在的问题是：四维变分同化软件尚未实现并行化，模式的并行计算效率也有待提高，随着模式分辨率的提高、大量精细资料的同化及快速分析预报系统、集合预报的开展，都对并行计算效率提出更高的要求。
（2）重点任务
针对GRAPES全球模式，实现高效的并行算法，完成全球模式预报系统的并行计算系统的开发；完成对全球切线性模式、伴随模式以及四维变分同化系统并行处理的支持，提高四维变分处理系统的运行效率，满足业务需要。
（3）年度计划
2011年，完成50km分辨率全球模式、15km分辨率区域中尺度模式的并行化计算优化。全球模式10天预报计算机时间缩短30%、区域中尺度模式60小时预报计算机时间缩短20%。完成模式面全球三维变分同化的并行及优化。完成GRAPES区域奇异向量扰动模块并行计算及其优化。
2012年，完成RAFS快速分析预报系统等的并行化计算优化。初步完成全球四维变分同化系统切线、伴随模式的并行计算优化。
2013年，完成25km分辨率全球模式、5km分辨率区域中尺度模式、全球四维变分同化、全球奇异向量初值扰动方案的并行计算方案设计及优化，并进行初步运行试验。
2014-2015年，完成25km分辨率全球模式、5km分辨率全国区域中尺度模式、全球四维变分同化、15km分辨率全国区域奇异向量初值扰动方案的并行化计算。
（二）业务应用系统
针对模式发展需求和天气预报业务应用需求，发展模式检验新技术，开发模式产品，建立GRAPES模式检验系统和产品后处理系统。
1.模式检验
（1）现状及主要问题分析
检验工作不够细致深入。目前对GRAPES 的检验多偏重于现有业务常规客观检验量和诊断量，检验对象和要素偏少，且多是对大样本平均状态的分析，针对GRAPES模式误差时空分布特征和科学诊断检验明显偏少，深入分析不够充分，还没有建立包含更多检验新方法、新技术的GRAPES检验系统。模式开发人员与产品应用人员有效交流互动机制也没有形成；缺少支撑GRAPES区域模式发展的业务检验平台。
（2）重点任务
发展GRAPES模式检验新技术，建立有助于模式改进的GRPAES统计检验系统，构建业务模式全国统一检验平台。尝试使用新型观测资料检验评估模式物理过程合理性。
大力开展天气学检验。重点开展北半球环流形势和中国区域重大降水天气过程、降水强度及落区预报检验等，加强对重大关键性、转折性、灾害性天气过程模式预报能力检验。
（3）年度计划
2011年，初步建立GRAPES模式预报检验分析系统，细化不同层次水平格点误差分布检验，为研发人员查找模式问题提供便捷依据；开展科学诊断方法、面向目标的检验和格点资料检验；开展空间预报检验技术研究，细化高度、温度、风及湿度等要素垂直层次廓线检验；开展GRAPES天气学检验。
2012年，完善GRAPES模式预报检验分析系统。将2011年建立的成熟的检验方法补充到检验系统中并形成业务；开展科学诊断方法研发、面向目标的检验和格点资料检验，继续开展GRAPES天气学检验。
2013年，开展空间预报检验技术研究，细化高度、温度、风及湿度等要素垂直层次廓线检验，继续扩充检验系统功能；继续开展GRAPES天气学检验。
2014-2015年，尝试利用雷达、卫星或GPS资料等观测资料，检验评估模式物理过程合理性。建立GRAPES模式预报检验分析系统；继续开展GRAPES天气学检验。
2.产品开发
（1）现状及主要问题分析
GRAPES诊断和产品开发工具少，诊断工作还不够深入细致。目前主要开发了诊断GRAPES模式一些典型问题的特定产品，对于模式物理过程缺乏必要的诊断手段，缺少对GRAPES模式的系统性误差进行全面分析，对GRAPES要素预报误差特征和偏差特征了解不够。
（2）重点任务
建立完善的GRAPES产品后处理系统，开发针对GRAPES模式的诊断方法，加工模式诊断所需要的新产品。建立GRAPES 模式的偏差订正系统。初步建立GRAPES集合预报系统的产品后处理系统。
（3）年度计划
2011年，调研中央气象台及各级气象台站对GRAPES数值预报模式产品的需求和建议，开发GRAPES模式产品，建立完善的GRAPES产品后处理系统，开发MICAPS格式产品，努力满足天气预报对GRAPES模式产品的需求。
2012年，分析GRAPES模式产品的误差分布特点，加工模式诊断所需要的新产品，初步建立模式产品后处理及诊断平台，开发可通过网站实现的气象要素的平面、单点时序、垂直廓线等网站产品。
2013年，在GRAPES模式产品误差分析基础上，完善模式产品后处理及诊断平台，发展基于GRAPES的强天气产品，启动建立模式的偏差订正工作。启动GRAPES集合预报产品的后处理技术开发工作。
2014- 2015年，完善GRAPES模式产品输出，建立预报员常用的连续变量产品的偏差订正系统。初步建立GRAPES集合预报产品的后处理系统。
（三）系统运行与支撑系统
1.系统运行监视与诊断系统
（1）现状及主要问题分析
目前业务运行的系统中主要是对数值预报业务流程的运行状况进行监视，尚缺乏一套较完整的信息系统对资料同化中的业务资料使用状况和模式预报产品性能检验进行监视，数据不规范，方法缺乏集成，系统分散，自动化程度不高，实时性不强。
（2）重点任务
建立和改进对观测资料实时统计、预报产品实时检验的信息系统，形成统一规范管理，拓展业务运行监视的内容；逐步集成各种诊断方法，形成统一诊断系统，提高科研用户进行模式诊断的工作效率。
（3）年度计划
2011年，研发针对各类同化资料实时监视和统计的技术, 针对同化中的常规资料和主要卫星资料的相关统计信息进行结构设计;改进模式预报检验数据的规范化设计，对模式预报检验产品进行规范化管理，建立运行监视流程和显示平台原型系统；开展诊断方法和用户需求的分析工作。
2012年，增加和完善统计功能、检验方法和资料种类，提供更多的资料统计和预报检验产品；集成现有诊断方法，满足通用基本诊断功能。
2013年，在监视系统中增加各种统计报告自动生成功能，开发对资料异常事件的通知功能；完善诊断工具交互功能。
2014－2015年，开展系统效率优化，增加功能支持用户定制服务；优化诊断系统，开展在线模式诊断技术研究。
2.支撑软件系统
（1）现状及主要问题分析
在GRAPES 系统发展过程中，开展了软件系统功能规划，着重围绕软件程序管理技术、数据处理与管理技术、数据可视化技术、中试平台技术以及业务运行管理等技术，在逐步引进、吸收欧洲中期天气预报中心的相关技术基础上，同时兼顾美国环境预报中心（NCEP）等国际先进业务中心的软件技术发展，进行本地化应用和改进，逐步建立适合GRAPES业务研发的软件体系。目前已经从欧洲中期天气预报中心相继引入了作业运行调度系统、试验配置软件和数据管理系统（MARS）。
（2）重点任务
建立完善的软件开发配置管理系统，提供程序代码配置服务，实现对数值预报程序代码有效管理，支撑GRAPES 代码的有序开发和软件质量保障，建立GRAPES版本发布系统，实现版本的方便获取和更新；发展资料管理与检索软件，提供数值天气预报模式研发与业务海量数据访问服务，支撑研发试验对各种本地资料的获取，支撑远程用户对业务数据的获取；完善图形后处理软件，支撑模式开发所需的模式诊断工具和数据图形产品服务；研发通过人机交互的可配置界面进行各种软件系统集成的技术，发展中试平台，支撑研发用户更方便高效的开展研发试验；优化运行监控调度，建立业务作业统一运行调度服务，实现在不同高性能计算平台上稳定运行，支撑高效运行管理和快速业务备份。
（3）年度计划
2011年，完善版本管理系统，推进科研业务开发程序的全面规范化管理，建立版本发布系统；研究通用数据编解码技术，开展业务研发数据平台建设；设计业务数据访问可视化系统；改进资源管理调度策略，对业务和科研的资源需求进行时间分片的精细化测算管理。
2012年，实现通用数据编解码系统运行，推广MARS的应用；开发中试管理系统；改进业务产品图形可视化平台；改进调度平台，研究不同高性能计算机平台的作业调度，完善故障通知功能。
2013年，完善数据编解码系统，增加可视化功能；实现MARS对主要业务科研数据的全面管理，开展后端磁带库存储透明访问的技术研发，初步实现检索功能并建立数值预报数据资源统一访问门户系统；开发中试管理系统在回算试验和平行试验中应用，开展可视化系统效率和图形优化；改进调度系统，实现快速备份。
2014-2015年，开展GIS以及搜索等技术应用研发，开发数值预报业务产品的可视化交互服务系统；实现对模式试验的统一管理、集中运行控制和试验数据分析；开发业务系统在远程计算平台上的切换、备份技术。
（四） 数值预报前瞻性研究
未来数值天气预报的发展必然向局地公里尺度甚至百米尺度分辨率的精细化预报系统以及可用预报时效超过两周的全球天气预报方向发展。因此，我国数值预报的未来主要科学目标是：深入研究高分辨率数值预报模式所应包含的大气运动谱及其精细化表述；与高分辨率数值预报模式相适应的观测资料四维同化技术和理论；高分辨率数值预报模式中的各种物理、化学过程以及观测系统设计；大气模式与其它圈层模式的耦合对精细天气预报的影响以及数值预报的不确定性与集合预报理论的研究。
1.数值预报理论和方法研究
在发展完善业务系统的同时，需要在以下几个方面加强理论研究，为我国数值预报的高水平、可持续发展奠定基础。
（1）大气动力学与大气模式设计、高精度动力学框架研究；
（2）东亚季风区云-降水过程、云分辨尺度模式精细物理过程研究；
（3）非均匀下垫面陆面过程和边界层、复杂地形处理以及中小尺度次网格地形影响的参数化研究；
（4）四维变分和集合滤波方法相结合的同化新技术研究；陆面、海洋资料同化技术研究；
（5）大气模式与其它圈层模式的耦合技术研究；平流层模式研究；
（6）大气可预报性与数值预报模式不确定性、集合预报理论研究。
2.THORPEX与我国数值预报技术发展
（1）结合高影响大气动力过程与可预报性的研究，特别是中纬度斜压波动力学过程、不同流型及其动力与物理过程、初始条件不确定性对可预报性影响等的研究，指导发展数值预报模式理论方法和技术。
（2）结合天气观测网优化与设计、东亚主要天气系统的目标观测设计的理论与方法研究，评估交互式观测-预报系统技术的可行性，研究适应性资料同化与观测策略，发展完善数值预报同化系统技术。
（3）结合集合预报的随机动力学理论研究、不同尺度大气运动初始误差概率密度函数的分布及其对预报影响的研究、模式随机扰动误差估计方法的研究，发展灾害性天气的集合预报理论和方法以及集合预报的应用技术和检验评估方法。
（4）推动TIGGE集合预报项目的建设，继续TIGGE全球集合预报资料的交换与实时收集；基于TIGGE资料，结合典型用户端信息，研究TIGGE预报产品，发展TIGGE数值预报与用户信息结合的交互式预报系统技术和交互式预报系统。
3.观测试验与数值预报技术改进
（1）陆面/边界层过程与观测试验。重点研究我国陆面过程及边界层结构特性，利用先进边界层探测技术，实施多尺度结合的我国陆面与边界层观测试验；发展我国陆面及边界层相关理论与参数化方案；研究边界层与陆面参数的升尺度方案，开展先进的陆面及边界层参数化方案在业务数值预报模式中应用研究，提高业务数值预报模式对强对流触发机制、致洪暴雨的预报能力。
（2）云模式/对流过程与观测试验。重点研究我国云结构、对流降水特性。利用先进云探测设备，组织实施我国云/对流过程观测试验；利用观测试验资料，发展我国云降水/对流过程相关理论与参数化技术，建立先进的云模式/对流过程参数化方案；开展云模式/对流过程参数化方案在业务数值预报模式中应用研究，提高业务数值预报模式对强风暴、暴雨等灾害性天气的预报水平，以及全球（东亚区域）中期数值预报技巧。
四、保障措施
（一） 加强组织领导，明确任务分工
加强数值预报研发的组织领导。统筹规划面向数值天气预报的研发项目和计算机资源配置，统筹使用数值预报专项经费和行业专项经费等，引导围绕GRAPES模式开展研发工作；涉及数值预报重要研发项目须通过数值预报中心立项初审和结题验收。
明确气象部门数值预报研发任务分工。数值预报中心牵头数值天气预报研发和业务工作；气象中心主要负责天气学检验和产品应用工作；卫星中心主要负责卫星资料质量控制以及部分卫星资料同化工作；信息中心主要负责有关基础资料、高性能计算资源、存储资源的业务保障以及产品分发支持等；探测中心主要负责从探测技术和设备等对资料质量的影响等方面提供支持；中国气象科学研究院及有关研发单位主要负责围绕GRAPES发展中有关关键性、前瞻性问题开展研究和技术开发。区域中心主要负责区域中尺度模式、RAFS系统的发展及业务运行和检验；省级气象部门主要负责区域中尺度模式、RAFS系统的本地化应用和检验工作。
为确保相关任务的落实，由数值预报中心在每年初提出需要合作单位支持的核心任务，与各相应合作单位协商后，以中国气象局下达任务形式列入相应单位年度考核目标，确保任务完成。
（二） 加强队伍建设，完善用人机制
加强数值预报团队建设，建立模式框架、资料同化、物理过程、集合预报等专业队伍，形成合理的人才梯队。建立灵活的用人机制，吸引国内外有关专家参与数值预报模式的研发。建立科学合理的绩效考评机制，客观合理地评价科研与业务的工作贡献和工作量，形成研发与业务良性互动的机制。
（三）建立稳定的投入机制，确保计划的有效实施
中国气象局每年安排专项经费，作为数值天气预报发展专项资金，对数值天气预报业务发展给予持续稳定的支持；在行业专项经费中设立数值天气预报发展重点项目，支持本规划所列的年度重点任务的完成；同时，围绕本计划中的重点关键性、前瞻性技术的突破，积极争取“863”、“973”、科技支撑等各类国家科技计划项目经费支持。
（四）以开放实验室为平台，加强国内外合作与交流
以数值预报开放实验室为平台，建立开放交流合作机制，推动中国气象局数值预报中心与国内研究单位、高校、相关业务单位以及国外先进业务中心之间的技术、人才交流。定期选派技术骨干到发达国家数值预报中心访问进修。采取多种灵活方式，充分利用好各方面的力量，加快我国数值天气预报发展的步伐。建立相对稳定的包含国内外数值预报科研业务单位一流专家组成的技术专家委员会，长期规划指导中国气象局数值预报业务的发展。
（五）建立高性能计算机和资料获取保障机制
建立可靠高效的高性能计算机系统，为数值预报研发和业务应用提供充足、可靠的计算环境和存储资源（附表1）。
建立相关资料的稳定高效获取途径，逐步达到国外主要业务数值预报中心获取的观测资料种类和数量；提高中国区域多种观测资料获取能力。
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