GRAPES

摘要： 新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES)是中国气象局(China Meteorological Administration,CMA)自主研发的数值天气预报软件。随着对模式分辨率和预测时效性要求的提高,GRAPES的输入输出(I/O)性能成为了一个重要的瓶颈。分析了GRAPES区域模式的I/O行为,提出并设计实现了一个高性能I/O框架。该框架采用二进制编码以及多I/O通道技术实现了灵活可配置的输出方式。同时,通过非堵塞通信的方式实现了异步I/O,隐藏了I/O与通信的开销。工作在曙光"派"超级计算机上进行了测试,结果显示该框架不仅可以提高I/O性能达到10倍以上,也可以减少性能抖动带来的性能不确定性问题。

摘要： 为了提高GRAPES数值天气预报模式的计算效率,改善动力框架部分的性能,针对广义共轭余差算法(GCR)求解赫姆霍兹方程在GRAPES模式中耗时较大的问题,提出了一种基于CPU+GPU异构并行的预处理广义共轭余差算法。采用不完全LU分解对系数矩阵进行预处理来减少迭代次数,在此基础上实现了OpenMP的细粒度并行和MPI粗粒度并行,OpenMP并行主要是采用循环展开的方式对程序中无数据依赖的循环体使用编译制导来提高程序的性能;MPI并行主要是将数据划分给各个进程,采用非阻塞通信和优化进程通信数据量的方式来提高并行程序的可拓展性。实现了MPI+CUDA异构并行,MPI负责节点间进程通信以及迭代控制,CUDA负责处理计算密集型任务,将GCR中耗时较大的矩阵计算部分移植到GPU上处理,采用访存优化和数据传输优化来减少CPU和GPU间的数据传输开销。实验结果表明:与串行程序相比,OpenMP并行加速比为2.24,MPI并行加速比为3.32,MPI+CUDA异构并行加速比为4.69,实现了异构平台上的广义共轭余差算法性能优化,提高了程序的计算效率。

摘要： 集合变换卡尔曼滤波(ensemble transform Kalman filter,ETKF)是一种有效的集合预报初始扰动构造方案.但是,有限的集合样本、相同的集合成员设置以及预报模式误差等可能会使两个距离较远的状态变量产生虚假相关,从而影响ETKF集合扰动的质量.为了有效解决远距离虚假相关问题,将局地化思想引入ETKF方案.本文针对GRAPES区域集合预报系统(GRAPES REPS),对ETKF初值扰动局地化方案的效果进行了试验分析,为进一步改善和优化局地化方案(LETKF方案)提供依据.通过一周的连续试验,从暴雨个例、集合预报多种评分检验等方面分析了 LETKF初始扰动方案所产生的集合预报质量.结果表明,区域集合预报中集合变换卡尔曼滤波初始扰动的局地化方案能够更加合理地捕捉到快速增长的分析误差的物理结构,更准确地再现数值模式预报误差的线性与非线性传播和演变特征.该局地化方案可以较好地改进预报质量,提高降水预报的准确率,尤其是针对小雨、中雨、暴雨量级的预报.相对于现有区域集合预报的业务系统GRAPES REPS,基于局地化ETKF初始扰动方案的区域集合预报具有较明显的优势.总体来看,LETKF初始扰动方案可更好地改善区域集合预报的质量.

摘要： In the present study,the performance of the GRAPES model in wind simulation over south China was assessed.The simulations were evaluated by using surface observations and two sounding stations in south China.The results show that the GRAPES model could provide a reliable simulation of the distribution and diurnal variation of the wind.It showed a generally overestimated southerly wind speed especially over the Pearl River Delta region and the south of Jiangxi Province as well as the coastal region over south China.GRAPES also exhibited a large number of stations with the opposite surface wind directions over the east of Guangxi and the south of Jiangxi during the nocturnalto-morning period,as well as an overall overestimation of surface wind over the coastal regions during the afternoon.Although GRAPES could simulate the general evolutional characteristics of vertical wind profile,it underestimated wind speed above 900 hPa and overestimated wind speed below 900 hPa.Though the parameterization scheme of gravity wave drag proved to be an effective method to alleviate the systematic deviation of wind simulation,GRAPES still exhibited large errors in wind simulation,especially in the lower and upper troposphere.

摘要： 地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力,因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星"风云四号"系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求.基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案,开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验,理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响.试验基于GRAPES全球四维变分同化系统,同化静止轨道微波模拟观测资料,以2018年台风"玛利亚"和"山竹"为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响.试验结果表明,对于静止轨道微波资料同化应用,提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能.

摘要： 为了深入认识全球四维变分同化系统(Global Regional Assimilation and Prediction System Four-Dimensional Variational,GRAPES 4DVAR)分析场质量,利用2019年3月1日至2020年2月29日GRAPES 4DVAR 7层等压面的高度、温度、纬向和经向风等4个要素的分析场及同期ERA5再分析场资料和探空观测资料,基于Pearson相关系数、偏差统计和EOF分解等多种统计分析方法,对GRAPES 4DVAR分析场质量进行了评估。结果表明:(1)GRAPES 4DVAR各要素分析场与ERA5再分析场具有显著的正相关(相关系数均通过α=0.01显著性水平检验),其中高度场和温度场的相关系数大于0.99,风场的相关系数大于0.85,GRAPES 4DVAR分析场和ERA5再分析场与探空观测的均方根偏差值的大小及分布相似,表明GRAPES 4DVAR同化分析场具有较高的质量,且北半球和南半球的分析质量优于热带地区;(2)GRAPES 4DVAR温度和风的分析场与ERA5再分析场在北半球和南半球的偏差存在较明显的季节变化和空间变化,表现为夏半年偏差小于冬半年,中层偏差小于低层和高层,且在对流层低层(高层),南半球(热带地区)的偏差大于北半球和热带地区(南半球);(3)不同要素分析偏差的特征显示,温度分析偏差主要出现在对流层低层,极大值区位于北极和南极地区,而风场分析偏差主要位于对流层中高层,极大值区主要分布于青藏高原、非洲大陆西部及北部、东太平洋及大西洋赤道附近区域。

摘要： 为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统(GRAPES Hybrid-3DVar).通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测.

摘要： 数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技.中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果.在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES(Global Regional Assimilation and PrEdiction System)半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述.近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系.首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统.自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点.

摘要： In the present study, a gross quality control (QC) procedure is proposed for the Global Navigation Satellite System Occultation Sounder (GNOS) Global Positioning System radio occultation (GPS RO) refractivity data to remove abnormal data before they are assimilated. It consists of a climate extreme check removing data outside the range of the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) climate maxima and minima over approximately five years, and a vertical gradient check that rejects profiles containing super-refractions. These two QC steps were applied sequentially to identify outliers in GNOS GPS RO refractivity data during boreal winter 2013/2014.All of the abnormal refractivity profiles and the outliers at each level of the GNOS GPS RO observations were effectively removed by the proposed QC procedure. The post-QC GNOS GPS RO refractivity observations were then assimilated in the Global/Regional Analysis and PrEdiction System (GRAPES) using the three-dimensional variational(3D-Var) system. The impacts of the GNOS refractivity observation on GRAPES analysis and forecasting were evaluated and analyzed using an observation system experiment run over one whole winter season of 2013/2014. The experiment results demonstrated a positive impact of GNOS GPS RO data on analysis and forecast quality. The root mean squared error of GRAPES analysis temperature was reduced by 1%in the Southern Hemisphere (SH) extratropics and in the tropics, and the anomaly correlation scores of the forecasted 500-hPa geopotential height over the SH increased significantly during days 1 to 5. Overall, the benefits of using GNOS GPS RO data are significant in the SH and tropics.

摘要： 新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构,开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包,物理过程的完整性与国外先进的模式相当.GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的三层结构程序界面,为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面.通过个例数值试验,对格点暴雨现象进行了分析,改进了垂直速度计算方案,通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数,对降水方案进行了优化;结果表明,物理过程降水方案经过改进后,基本消除了虚假的格点暴雨现象,提高了降水预报的准确率.

摘要： 新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构,开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包,物理过程的完整性与国外先进的模式相当.GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的三层结构程序界面,为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面.通过个例数值试验,对格点暴雨现象进行了分析,改进了垂直速度计算方案,通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数,对降水方案进行了优化;结果表明,物理过程降水方案经过改进后,基本消除了虚假的格点暴雨现象,提高了降水预报的准确率.

摘要： 新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构,开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包,物理过程的完整性与国外先进的模式相当.GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的三层结构程序界面,为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面.通过个例数值试验,对格点暴雨现象进行了分析,改进了垂直速度计算方案,通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数,对降水方案进行了优化;结果表明,物理过程降水方案经过改进后,基本消除了虚假的格点暴雨现象,提高了降水预报的准确率.

摘要： 新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构,开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包,物理过程的完整性与国外先进的模式相当.GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的三层结构程序界面,为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面.通过个例数值试验,对格点暴雨现象进行了分析,改进了垂直速度计算方案,通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数,对降水方案进行了优化;结果表明,物理过程降水方案经过改进后,基本消除了虚假的格点暴雨现象,提高了降水预报的准确率.

摘要： Doppler雷达探测得到的径向速度和反射率因子与常规气象资料不同，目前国内对它们的使用多数还处在看图说知的主观分析阶段。随着变分同化技术在气象非常规资料同化领域的应用以及我国新一代数值预报系统GRAPES的建成，开发相应雷达资料三维变分3DVAR同化系统的时机基本成热。本文介绍了GRAPES-3DVAR雷达径向速度和反射率因子3DVAR同化设计方案的理论基础础并进行了单点实验，对系统的正确性进行了检验，最后对一次华南暴雨过程同化结果进行了分析。试验表明，本同化系统能比较合理地摄取雷达非常规观测资料的信息对背景场进行修正，从而为数值天气预报提供更为合理的初始场。

摘要： Doppler雷达探测得到的径向速度和反射率因子与常规气象资料不同，目前国内对它们的使用多数还处在看图说知的主观分析阶段。随着变分同化技术在气象非常规资料同化领域的应用以及我国新一代数值预报系统GRAPES的建成，开发相应雷达资料三维变分3DVAR同化系统的时机基本成热。本文介绍了GRAPES-3DVAR雷达径向速度和反射率因子3DVAR同化设计方案的理论基础础并进行了单点实验，对系统的正确性进行了检验，最后对一次华南暴雨过程同化结果进行了分析。试验表明，本同化系统能比较合理地摄取雷达非常规观测资料的信息对背景场进行修正，从而为数值天气预报提供更为合理的初始场。

摘要： Doppler雷达探测得到的径向速度和反射率因子与常规气象资料不同，目前国内对它们的使用多数还处在看图说知的主观分析阶段。随着变分同化技术在气象非常规资料同化领域的应用以及我国新一代数值预报系统GRAPES的建成，开发相应雷达资料三维变分3DVAR同化系统的时机基本成热。本文介绍了GRAPES-3DVAR雷达径向速度和反射率因子3DVAR同化设计方案的理论基础础并进行了单点实验，对系统的正确性进行了检验，最后对一次华南暴雨过程同化结果进行了分析。试验表明，本同化系统能比较合理地摄取雷达非常规观测资料的信息对背景场进行修正，从而为数值天气预报提供更为合理的初始场。

摘要： Doppler雷达探测得到的径向速度和反射率因子与常规气象资料不同，目前国内对它们的使用多数还处在看图说知的主观分析阶段。随着变分同化技术在气象非常规资料同化领域的应用以及我国新一代数值预报系统GRAPES的建成，开发相应雷达资料三维变分3DVAR同化系统的时机基本成热。本文介绍了GRAPES-3DVAR雷达径向速度和反射率因子3DVAR同化设计方案的理论基础础并进行了单点实验，对系统的正确性进行了检验，最后对一次华南暴雨过程同化结果进行了分析。试验表明，本同化系统能比较合理地摄取雷达非常规观测资料的信息对背景场进行修正，从而为数值天气预报提供更为合理的初始场。

摘要： GRAPES是一个以多尺度通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台的新一代数值预报模式系统.作为中国气象数值预报新一代研究和业务系统,GFRAPES不仅采用了多尺度统一模式的设计思想,在模式软件程序设计上也采用了模块化、标准化等现代软件工程的设计思想,摒弃了以往数值预报开发中程序无标准,缺乏通用性、可移植可扩展性差、不能适应现代计算机发展、程序模块缺乏可"插拔"性、程序缺乏可读性可维护性等等缺点.通过规范GRAPES模式的开发,确保了GRAPES的研究开发能够不断吸纳国内外数值预报的优秀成果,为科学家开展联合工作和进行交流提供了方便.本文的主要内容有：1、中国新一代气象数值预报软件GRAPES编程规范；2、RAPES模式软件结构框架设计；3、GRAPES模式的实现及测试；4、结论。

摘要： GRAPES是一个以多尺度通用动力模式为核心的、以统一软件编程标准为平台的新一代数值预报模式系统.作为中国气象数值预报新一代研究和业务系统,GFRAPES不仅采用了多尺度统一模式的设计思想,在模式软件程序设计上也采用了模块化、标准化等现代软件工程的设计思想,摒弃了以往数值预报开发中程序无标准,缺乏通用性、可移植可扩展性差、不能适应现代计算机发展、程序模块缺乏可"插拔"性、程序缺乏可读性可维护性等等缺点.通过规范GRAPES模式的开发,确保了GRAPES的研究开发能够不断吸纳国内外数值预报的优秀成果,为科学家开展联合工作和进行交流提供了方便.本文的主要内容有：1、中国新一代气象数值预报软件GRAPES编程规范；2、RAPES模式软件结构框架设计；3、GRAPES模式的实现及测试；4、结论。

摘要： 本发明公开了全球中期数值预报GRAPES_GFS方法，其特征在于，在大规模并行计算方面针对现有半隐式半拉格朗日积分方案在计算效率和可扩展性方面的不足提出对现有框架进行改进，基于半隐式积分格式和线性化系统推出了同时具备高效率和高性能的求解算法。采用非等距差分显著提高了背景温度廓线的计算精度，解决了在模式垂直分层厚度剧烈变化层次上背景温度廓线误差大的问题；重构和优化数字滤波模块，提高了数字滤波的稳定性和计算效率；建立了3D‑Var一体化的单点试验系统。

摘要： 本发明属于数据检测技术领域，公开了一种GRAPES区域集合预报检验显示系统及显示方法，获取编写的前端页面、布局的页面，接着后台进行数据处理，基于所述处理后的数据，使用QtWebChannel进行前后台数据交互，并采用“从数据库读取数据，若没有则从服务器读取数据存入数据库，然后再从数据库读取”的迭代加速模式响应前台的数据请求。本发明能对图表的海平面高度、降雨等级、起报模式等基本参数进行便捷地调整。相对传统的检验分析显示方法，数据分析人员免除了在一堆图表中反复查找的低效工作，能够集中精力应对预报数据的检验分析，大大提高了分析效率。

摘要： 本发明涉及一种基于并行超算网格云平台的GRAPES系统优化方法，其包括：S1)载入测试数据集并运行系统，分别进行系统级测试、通信级测试和函数级测试，其包括：S1.1)系统级测试；S1.2)通信级测试；S1.3)函数级测试：对调用的函数进行监控，获取函数的运行特征。S2)根据导出的系统特征文件进行测试结果分析，其包括：S2.1)系统测试结果分析；S2.2)MPI通信级测试结果分析；S2.3)函数级测试结果分析。S3)根据分析结果进行优化处理，优化处理包括：向量化、负载均衡、使用库函数替代GRAPES_GFS中的函数。本发明解决了Grapes在并行超算网格平台上的优化问题，提高了系统运行效率。

摘要： 本发明属于数值预报技术领域，公开了一种GRAPES‑REPS区域集合预报方法及系统，GRAPES‑REPS区域集合预报方法包括：0.1度水平分辨率GRAEPS‑REPS集合预报试验参数及模式确定；GRAPES‑REPS侧边界扰动构建；中国GRAPES‑REPS区域集合预报业务化系统构建。本发明改进ETKF初值扰动方案并优化测边界扰动不确定性方案，提升预报系统离散度及区域集合预报系统性能，从而满足中国区域集合预报系统业务化应用需求，有针对性地制作和提供天气预报服务。本发明为中国各级气象台提供不同层次、不同预报时效的1h间隔集合预报产品，为天气预报提供指导和参考，便于模式开发者提高集合预报系统性能。

摘要： 本发明属于天气预报技术领域，公开了一种GRAPES_GEPS全球集合预报方法及系统，系统包括：预处理模块、奇异向量基态初值生成模块、初始奇异向量计算模块、控制预报初值生成模块、扰动场生成及集合预报成员扰动初值生成模块、控制预报积分模块、模式扰动参数生成及30个集合预报成员模式积分模块、后处理模块及演化奇异向量计算模块。本发明实现了南半球、北半球及热带气旋区域初始奇异向量法在全球GRAPES_GEPS系统中的应用，使用模式扰动SPPT方案与SKEB方案来体现模式本身的不确定性，可为业务服务提供丰富的以GRAPES全球模式为基础的概率预报指导产品，也为预报员提供更多的预报参考信息。

摘要： 本发明涉及一种基于GPU的GRAPES系统优化方法、系统、介质及设备。方法包括：进行数据格式转换以及存储空间开辟的数据初始化；利用CUDA将所述广义共轭余差法的计算流程进行GPU移植，对于计算流程中能进行并行处理的，在GPU中采用多线程并行处理，计算过程中利用显存进行通信，且中间变量均保存在GPU上；对于计算流程中不能并行处理的，将前置数据拷回CPU端进行计算，再将计算结果拷回GPU端。本发明实施例将计算流程进行GPU移植，能进行并行处理的，在GPU中采用多线程并行处理，计算过程中利用显存进行通信，且中间变量均保存在GPU上，避免了和CPU端进行频繁的数据传输，减少了GPU与CPU之间的数据传输开销，提升了程序的整体性能。

摘要： 本申请提供了一种基于GRAPE框架的图算法并行加速方法和装置，所述方法包括：获取PRAM模型的参数信息，并根据所述PRAM模型的参数信息构建生成目标模型；获取输入数据，并依据所述目标模型中的所述索引数组对所述输入数据进行运算，确定初始ID元组和内存访问元组；依据所述初始ID元组和所述输入数据进行增量运算，迭代运算直至所有工作节点均不再接收来自其他工作节点的参数信息时生成最终计算结果；获取所述最终计算结果内所有工作节点的计算结果，并依据所述所有工作节点的计算结果汇总生成所述运算结果；可以把串行的图算法迁移到GRAPE框架，并保证迁移后的算法加速比足够高。

摘要： 本发明属于产品质量评估技术领域，公开了一种自动化GRAPES区域预报模式显著性检验方法及系统，用户在浏览器页面设置检验模式、检验算法、置信度、数据的起止日期、区域范围的经纬度以及评分卡显示样式参数；后端依据检验的模式和数据起止日期确定数据文件在服务器的存放路径，并按照得到的路径读取到对应的预报源文件；依据经纬度范围裁剪Grib文件中的数据；计算预报值和观测值的统计量；通过显著性检验算法计算两个模式在不同统计量下显著性检验评分等级。本发明采用B/S架构，无需安装客户端，能够科学高效地进行预报产品质量的差异性检验，提高检验的自定义化程度。

摘要： 本发明公开了全球中期数值预报GRAPES_GFS，其特征在于，在大规模并行计算方面针对现有半隐式半拉格朗日积分方案在计算效率和可扩展性方面的不足提出对现有框架进行改进，基于半隐式积分格式和线性化系统推出了同时具备高效率和高性能的求解算法。采用非等距差分显著提高了背景温度廓线的计算精度，解决了在模式垂直分层厚度剧烈变化层次上背景温度廓线误差大的问题；重构和优化数字滤波模块，提高了数字滤波的稳定性和计算效率；建立了3D‑Var一体化的单点试验系统。

摘要： 本发明属于数据检测技术领域，公开了一种GRAPES区域集合预报检验显示系统及显示方法，获取编写的前端页面、布局的页面，接着后台进行数据处理，基于所述处理后的数据，使用QtWebChannel进行前后台数据交互，并采用“从数据库读取数据，若没有则从服务器读取数据存入数据库，然后再从数据库读取”的迭代加速模式响应前台的数据请求。本发明能对图表的海平面高度、降雨等级、起报模式等基本参数进行便捷地调整。相对传统的检验分析显示方法，数据分析人员免除了在一堆图表中反复查找的低效工作，能够集中精力应对预报数据的检验分析，大大提高了分析效率。