2016年学术报告之二十二----沈学顺：我国数值天气预报模式的发展和挑战

 题目：我国数值天气预报模式的发展和挑战

主讲人：沈学顺

时间：2016年4月13日（周三） 16：00

地点：广州校区南校园地环大楼B401

主持人：戴永久 教授

主讲人介绍
沈学顺，博士、研究员，主要从事数值天气预报模式方面的研究，是国家级重点领域科技创新团队数值预报团队的负责人，“新世纪百千万人才工程”国家级人选、享受国务院政府特贴。主持研发中国气象局新一代全球中期数值预报系统GRAPES_GFS。所完成的模式动力框架和物理过程的改进，大幅度提高了GRAPES中尺度业务系统的预报精度，并主持研发了公里尺度精细GRAPES系统，为未来精细尺度数值预报的业务发展奠定了重要基础。分别获得国家科技进步2等奖一项，上海市科学技术奖2等奖一项，以及2004、05、06年2个中国气象局科学技术开发一等奖，2个二等奖。

我国数值天气预报模式的发展和挑战

摘要

        Navier-Stokes（NS）方程是研究大气运动并进而模型化数值求解未来天气气候状态的物理基础。基于NS方程的数值天气预报自上世纪五十年代末进入日常天气预报业务以来，已经发展成为定量化天气预报不可或缺的“高精尖”技术。目前，全球云可分辨尺度、局部百米级格距的高分辨数值天气预报模式已经成为未来数值天气预报发展的必然。众核高性能计算机的发展为此提供了实现的可能，但也对大气科学中传统的求解NS方程的数值算法提出了挑战。守恒、高精度、高可扩展性、对大气运动能谱的“仿真性”等是构建下一代数值天气预报模式、设计求解NS方程的时空离散化算法时的基本要求。

中国气象局发展的全球区域一体化数值天气预报模式GRAPES基于全可压NS方程组，在球面普通经纬网格上求解方程组。通过半隐式方法处理时间积分中的快波项、半拉格朗日方法计算平流项，空间离散化采用二阶精度的中央差。半隐式算法带来的全局求解赫姆霍兹方程、拉格朗日上游点的求解、上游点变量插值造成的守恒性缺失、经纬网格在高分辨率时格距在极区的急剧收缩等问题，是GRAPES模式未来向高分辨率发展、适应众核高性能计算机的高效计算和可扩展性的瓶颈。鉴于此，正在研究基于多矩约束的有限体积法离散化求解NS方程组的新模式，该方法严格保证数值守恒，与传统的有限体积法相比具有网格适应性好、计算精度高等特点，且具有较好的可扩展性。目前所面临的问题是寻求高效的时间积分算法以及高效的并行算法，使得新的模式能够满足数值天气预报业务对快速计算的要求。