刘永柱
- 作品数：25 被引量：102H指数：7
- 供职机构：中国气象局更多>>
- 发文基金：国家科技支撑计划公益性行业(气象)科研专项国家高技术研究发展计划更多>>
- 相关领域：天文地球自动化与计算机技术理学文化科学更多>>
- 线性化物理过程对GRAPES 4DVAR同化的影响被引量：14
- 2019年
- 线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善切线性模式预报精度,来提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。线性化物理过程的开发首先需要简化原非线性化物理过程中的强非线性项,然后对线性化物理过程进行规约化,以抑制切线性扰动的异常增长。目前GRAEPS全球模式中的线性化物理过程主要包括次网格尺度地形参数化、垂直扩散、积云深对流和大尺度凝结。线性化物理过程预报精度的检验方法是通过选择合适大小的初始扰动(同化分析增量),来比较非线性模式和切线性模式中的扰动演化的纬向平均误差。然后以绝热版本的切线性模式为基础,通过冬、夏两个个例试验来分别检验4个线性化物理过程的12 h预报效果。试验结果表明,通过添加次网格地形参数化和垂直扩散两个干线性化物理过程方案,可以有效抑制住绝热版本切线性模式低层扰动的异常增长,大幅度改善切线性模式预报效果。通过添加积云深对流和大尺度凝结两个湿线性化物理过程,可以在热带区域和中、高纬度地区提高切线性模式中湿变量和温度变量的近似精度,提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。
- 刘永柱龚建东张林陈起英
- 关键词：GRAPES模式四维变分同化
- GRAPES全球三维变分同化业务系统性能被引量：29
- 2017年
- 近年来,GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球三维变分同化技术的发展与改进情况,包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果,以探空资料作为参考,对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较;以ERA-Interim再分析场作为参考,对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明:GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场,性能上达到了业务化的要求,但相比NCEP FNL分析场还有一定差距,特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。
- 王金成陆慧娟韩威刘艳王瑞春张华黄静刘永柱郝民李娟田伟红
- 关键词：资料同化GRAPES三维变分
- GRAPES全球模式静力平衡奇异向量改进及应用试验被引量：1
- 2021年
- 采用线性化物理过程方案的GRAPES全球模式奇异向量在进行非线性模式积分时会有部分奇异向量出现崩溃问题,这说明奇异向量结构可能存在扰动变量之间不协调之处,需要对奇异向量扰动的计算方法优化,进而改进基于奇异向量的集合预报初值扰动,提高GRAPES全球集合预报效果。基于原有的GRAEPS全球奇异向量计算方法,在求解奇异向量时,对气压扰动的处理进行改进,将初始时刻的气压扰动分量通过位温扰动根据静力平衡关系导出获得,其他保持一致,发展了静力平衡奇异向量改进方法。基于有两个台风过程的个例(2019年8月8日12时(世界时)),分别采用原奇异向量方法和静力平衡奇异向量改进方法进行热带气旋目标区奇异向量的计算求解,并进行相应奇异向量的非线性模式积分,对比分析奇异向量非线性积分的稳定性。进而,对比分析奇异向量求解方法改进前、后热带气旋奇异向量的结构特征和初值扰动特征,开展了集合预报试验,评估改进后的奇异向量求解方法对GRAPES全球集合预报系统预报性能的影响。试验结果表明,静力平衡奇异向量改进方法通过产生协调的气压扰动和位温扰动场,解决了奇异向量非线性积分崩溃的问题,消除了原来不利于积分稳定性的气压扰动过于局地化的小尺度结构。静力平衡奇异向量改进方法对奇异向量中位温扰动分量和纬向风扰动分量结构影响较小,使得气压扰动分量的大值区位于台风附近,更好地描述热带气旋初值不确定性,与位温扰动分量的分布更加协调。采用静力平衡奇异向量改进方法,可以提高GRAPES全球集合预报在北半球和南半球等压面要素集合预报技巧和中国地区24 h累计降水概率预报技巧,增大台风路径集合离散度。
- 霍振华李晓莉陈静陈静
- 关键词：GRAPES模式
- GRAPES全球四维变分同化系统极小化算法预调节被引量：12
- 2017年
- 在进行多次外循环更新的增量分析框架下,前一次极小化迭代过程中产生的信息可提供给下一次极小化做预调节。该文在GRAPES全球四维变分同化系统中对极小化算法——L-BFGS算法实施了这种预调节,通过全观测的个例试验和批量试验进行评估,发现进行预调节后L-BFGS算法的收敛效率得到明显提高,而且在1个月的循环试验中表现十分稳定。该工作可以帮助GRAPES全球四维变分同化系统有效减少极小化的迭代次数,有利于满足业务化运行的时效要求。另外,间隔6 h和间隔24 h的两次4DVar分析对应的海森矩阵变化不大,因此,前一时刻极小化过程产生的信息提供给后一时刻的极小化进行预调节也有一定效果。
- 张林刘永柱
- 关键词：四维变分
- GOS支持的集合预报网格门户系统
- 2010年
- 为充分利用异地分布的网络高性能资源,基于网格技术和中国国家网格中间件GOS,实现了集合预报网格门户系统.首先给出了该系统的结构和所包含的主要功能组件;然后提出了调度组件的核心设计思想,分析了集合预报流程的具体计算特征,设计了适合于不同应用场景的3种调度方式;接着给出了调度方式间的实际运行性能比较,结果表明动态竞争调度方式在资源负载不稳定时明显优于静态时间优化的提交方式;最后给出了系统的具体实现和实际部分运行界面,实践表明本系统是切实可行性的.
- 刘海张卫民刘永柱杨学胜尚卫卫
- 关键词：网格计算网格操作系统资源调度
- GRAPES奇异向量研究及其在暴雨集合预报中的应用被引量：7
- 2011年
- 为了产生好的集合预报初始扰动,并能够用有限的集合样本来模拟大气概率密度函数在相空间中的时间演变,把奇异向量法引入非静力GRAPES中尺度模式中,研究了GRAPES奇异向量的基础性问题和基于奇异向量构造集合样本的方法。对2008年7月的一次西南涡移动带来的暴雨过程进行GRAPES SVs求解,并进行集合预报试验。结果表明:前27个GRAPES SVs反映了分析误差的主要信息;要素的集合平均的均方根误差比控制预报具有更好的预报技巧,且它们的集合离散度随时间逐渐增加,反映了预报误差的主要信息;从降水Brier评分和ROC技巧上可以看出该集合预报具有好的概率预报技巧,能为暴雨预报提供一定的指导作用。
- 刘永柱杨学胜王洪庆
- 关键词：GRAPES模式暴雨
- GRAPES奇异向量的基础性研究及其在集合预报中的应用
- 大气是一个随机性的、复杂的非线性系统，其可预报性是有限的。由于初值误差、模式误差和大气非线性混沌特性，由此得到的数值天气预报结果必然存在不确定性。利用集合数值预报技术来模拟大气状态概率密度函数在相空间中的时间演变足解决数...
- 刘永柱
- 基于总能量模的GRAPES全球模式奇异向量扰动研究被引量：27
- 2013年
- 以发展基于奇异向量技术为初值扰动的GRAPES全球集合预报系统为目的,在GRAPES模式及其干动力框架下的切线性、伴随模式基础上开展了以总能量模为权重算子的奇异向量计算技术研究,建立奇异向量的计算求解模块,并通过奇异向量检验方法和切线性近似方法验证了奇异向量求解的正确性。通过对中高纬度的GRAPES奇异向量水平结构的线性演变分析,证实了在最优时间间隔内GRAPES奇异向量能够快速增长,并能描述中高纬度大气的斜压不稳定特征。分析在初始时刻和最优化时间间隔时刻的GRAPES奇异向量总能量及其分量(动能和势能)的垂直分布特征,发现在中高纬度区域,GRAPES奇异向量能够描述对流层不同层次的斜压不稳定增长特征。
- 刘永柱沈学顺李晓莉
- 关键词：GRAPES模式
- GRAPES全球奇异向量方法改进及试验分析被引量：17
- 2019年
- 基于总能量模的奇异向量扰动常用于构造集合预报的初始条件。以建立GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球集合预报系统为目的,基于前期研发的GRAPES全球模式奇异向量方法,在GRAPES全球切线性模式和伴随模式2.0版的框架下,开展了引入线性化边界层方案来改善奇异向量结构,并提高奇异向量计算效率的研究。通过连续试验,从奇异向量的扰动能量结构、扰动能量谱及扰动空间分布等方面,综合分析改进GRAPES全球奇异向量的结构及演变特征。试验结果表明,改进后的GRAPES奇异向量方法有效抑制了之前扰动能量在近地面层不合理的快速增长,同时,奇异向量最优扰动的结构更客观地体现了中高纬度区域大气初始条件中的斜压不稳定扰动及其演变,如在初始时刻奇异向量扰动能量主要位于对流层中层,并呈现出随高度向西倾斜的大气斜压特征;经过线性化演变,扰动能量向较大水平尺度转移,并在垂直结构上表现出向对流层高层上传及向对流层低层下传的特征等。针对GRAPES奇异向量迭代求解中伴随模式计算耗时为主的情况,改进伴随模式中广义共轭余差方案的调用方式,并采用大内存存储法来提高其计算效率,进而将奇异向量总计算时间缩短了25%。总之,改进后的GRAPES奇异向量方法,可应用于构建面向业务应用的GRAPES全球集合预报系统。
- 李晓莉刘永柱
- 关键词：GRAPES模式
- 中国气象应用网格被引量：2
- 2005年
- “中国气象应用网格”是国家863重大专项支持的一个应用网格项目，主要针对中国气象局计算资源及科研人员分散在全国各地，气象预报面向政府、社会和公众服务的特点，建立了连接中国气象局行业内部和国防科技大学等单位在内的跨地域网格平台；在该网格平台上建立全面支持我国新一代中尺度数值天气预报系统的协同攻关环境和基于GRAPES的中尺度有限区数值天气预报业务系统，实现了应用层面的互联互通、资源共享和协同工作，提高气象部门的资源利用率、业务预报和自动化水平。“中国气象应用网格”包括网格中尺度数值预报模式GRAPES、网格门户、网格计算、资源和服务共享平台、基于Ganglia的网格资源监控、数值天气预报控制界面、气象预报产品发布和可视化、源代码管理系统、网格用户注册与管理等系统。
- 杨学胜刘永柱陈德辉
- 关键词：气象应用中尺度数值预报模式预报业务系统天气预报系统GANGLIA
