数值预报项目课题申报指引

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1、附件 2：课题申报指南“十一五 ”国家科技支撑计划重大项目“灾害天气精细数值预报系统及短期气候集合预测研究”课题申报指南项目针对 “十五 ”数值预报创新研究成果的全面业务化和进一步发展问题开展研究：实现全球中期数值预报系统 GRAPES_Global 在国家气象中心的业务化应用和改进完善的中尺度数值预报系统 GRAPES_Meso 在国家级、区域级气象中心业务化应用； 突破精细四维资料同化业务应用关键技术， 使业务资料同化系统技术上一个新的台阶（包括建立区域 GRAPES_4DVAR 准业务应用系统）；突破高影响天气敏感区估算技术和适应性观测资料同化技术，建立交互式观测-预报示范系统；通过系统

2、的评估和改进，建立多初值、多模式月季尺度短期气候集合预测系统； 通过本项目的实施， 进一步完善中国气象局数值模式创新基地建设，建立科研 -培训 -业务相结合的科技创新平台。本项目的研制内容包括： 十五科技攻关成果 GRAPES 系统的全面业务化和评估改进，重点在全球中期模式系统 GRAPES_Global 的业务化； 精细区域数值天气预报模式系统的发展，包括高时空分辨率观测资料的同化技术和云可分辨尺度1的精细数值模式系统； 交互式观测 -预报系统技术研究； 短期气候集合预测方法研究。本项目的考核指标包括： 区域中尺度 GRAPES_Meso（15km）在国家和区域中心业务化， 其预报能力提高

3、1015%；（2）全球中期 GRAPES_Global （50km）实时应用，可用预报时效达 6 天以上； 建立精细尺度数值预报模式系统（ 35km ），在 2008 年北京奥运会时得到实际应用；交互式观测 -预报系统技术研究取得突破和示范应用结果；月季尺度短期气候集合预测系统建立， 较明显提高月季尺度短期气候的预测能力。该项研究将显著提高从几个小时、几天、10多天的短时 -短期 -中期数值天气预报准确率，到月季尺度短期气候集合预测的准 “无缝隙气象预报 ”准确率和预报技巧， 对提高国家防灾减灾能力，稳定国家社会与经济发展意义重大。现将本项目的各课题申报指南发布如下：课题 1：我国新一代数值预

4、报系统GRAPES 的改进与业务化应用主要研究内容：（1）GRAPES_Global 全球中期数值预报系统，包括全球模式动力框架和完整物理过程参数化方案的改进，三维变分资料同化系统，全球中期预报系统GRAPES_Global 业务化应用试验；基于 GRAPES_Global 动力框架的四维变分同化系统框架设计，包括切线模式、 伴随模式及相关理想试验、实际常规资料应用个2例试验；（2）GRAPES_Meso 中尺度数值预报系统，包括区域模式动力框架和完整物理过程参数化方案的改进， 三维变分资料同化系统，区域中尺度预报系统 GRAPES_Meso 业务化应用试验； 基于 GRAPES_Meso 动

5、力框架的四维变分同化系统框架设计和实际应用试验，包括切线模式、伴随模式及相关理想试验、实际常规资料应用的批量试验， 以及三维变分同化与四维变分同化的实际常规资料应用比较试验；（3） GRAPES_TMM 热带天气数值预报模式系统，包括适用于华南热带地区的物理过程优选优化和改进完善， 华南热带地区典型强天气过程个例的系列试验和评估、 模式初始方法、 侧边界嵌套技术、 雷达资料的变分同化应用； 进行批量实时业务应用试验；（4）GRAPES_TCM 台风数值预报模式系统，包括适用于西北太平洋地区的物理过程优选优化和改进完善， 典型台风过程个例的系列试验和评估、模式的 Bogusing 人造台风模型技

6、术及同化、侧边界嵌套技术、 Bogusing 人造台风模型的变分同化 (BDA)应用；进行批量实时业务应用试验；（5）区域中尺度与全球中期数值预报诊断检验系统，包括动力学、天气学、统计学的诊断检验等（气象业务部门提供具体检验项目和内容清单）考核指标：3（1）在国家气象中心业务环境下，分别建立区域中尺度非静力平衡三维变分同化预报系统（水平分辨率达15 公里）和建立全球中期三维变分同化预报系统（水平分辨率达50 公里），其中区域中尺度预报系统实现稳定业务运行， 对全国区域降水预报准确率较现有水平提高 10%15%；全球中期预报系统实现在业务运行环境下实时连续运行，可用预报时效达到或超过 6 天；

7、在上海台风研究所和广州热带气象研究所，分别建立水平分辨率高于国家级区域中尺度预报系统的台风预报模式和热带天气预报模式，其预报能力较现有区域水平提高 15%左右；（ 3）所建立的三维变分同化预报系统可以同时同化应用常规资料和卫星遥感资料， 并使卫星资料应用为正效果； 所建立的四维变分同化系统可以同化应用实际观测资料， 并得出四维变分同化系统优于三维变分同化系统的试验应用结论；（ 4）建立数值预报诊断与检验系统，检验项目和要素与目前气象业务中心的要求相当；撰写完成 GRAPES 数值预报模式和同化方案的综合检验报告和预报员的应用评估报告；（ 5）撰写完成 GRAPES 数值预报模式和同化系统的文档

8、材料和技术报告。申报单位条件要求：本课题涉及 “十五 ”成果 GRAPES 在国家级气象中心和区域气象中心的业务化应用与升级， 这就要求承担单位不仅要具有业务运行环境条件，同时，考虑到工作的连续性，承担单位还要熟悉“十五 ”成果4GRAPES 的工作。因此，对本课题申报单位要求具备以下条件：（ 1）人力资源：能组建一支高素质的研究队伍，其主要骨干在资料同化、在数值预报模式设计与计算机软件的研发等方面有丰富的研究经验与研究工作积累。 对国际上的发展动态、 与主要国家的业务技术均有深入的了解和联系。 研究队伍的主力是年青的高学历数值预报科技人员，包括在地球科学、 计算数学、气象数值预报、 大气物理

9、、计算机与网络、并行运算、 数据库等领域的专门人才，可以形成多学科交叉的整体优势， 并确保在项目的实施期间有足够的人力大部分时间投入本课题研究。（ 2）基础条件：具有能保证课题研究开发和技术目标实现的环境计算机和数据库条件，项目实施所使用的计算机平台及数据输入/输出接口与成果业务化的环境相同， 尤其是高性能计算机的运算能力和存储能力要确保四维资料同化、 高分辨率全球模式的大规模科学计算对计算机资源的巨大需求。（ 3）组织与管理：具有健全的科研管理体系和组织国家重大科技攻关项目的管理经验积累。 能对项目实施进行有效管理， 确保项目实施按计划进度进行与研究目标的实现。（ 4）相关研究基础：本课题的

10、业务应用指向非常明确，采用与项目一体化的研究技术平台（如数值模式、资料同化、数据流程、环境支持系统等）， 任务承担单位需要具有相关研究与应用的基础，具有课题研究方向的工作积累。经费：5课题总经费810 万元。其中国拨经费630 万元，配套经费180万元。课题 2：灾害天气精细数值预报技术发展精细尺度的数值预报技术是提高对局地灾害性天气、极端天气事件预报准确率的重要科学技术手段之一，也是天气数值预报向环境数值预报（空气质量等）拓展的重要基础。剧烈天气事件的发生发展与强烈发展的中尺度对流系统紧密相连，而这种中尺度对流系统的空间尺度从数十公里到上百公里，其时间尺度仅为几个小时。 因此，必须发展水平分

11、辨率达到云可分辨尺度（5公里以下） 的高分辨率非静力数值模式，较准确合理地描写中尺度对流系统的物理与动力学过程，为提高该类事件的预报准确率提供科学工具。 以“十五 ”期间中国科学家自主研究开发的非静力中尺度数值预报模式（GRAPES_Meso）的动力框架为基础，通过模式动力过程和算法的精细化、发展与其耦合的精细显式云模式、湍流边界层模式、 复杂陆面过程模式以及中小尺度观测资料的四维同化技术， 建立具有实际应用能力的灾害天气精细数值预报系统。主要研究内容：6（1）高时空分辨率观测资料三维/四维变分同化技术。针对天气雷达、自动气象站、 GPS、风廓线仪等其它高时空分辨率的探测资料，研究发展适用于精

12、细数值预报模式的初值形成与短时预报需要的精细资料分析、同化技术，包括各种云参数、边界层参数的同化技术，建立可充分有效利用我国高时空分辨率观测资料的精细三维 /四维变分资料同化试验系统。（ 2）精细非静力平衡数值预报模式技术。在 “十五 ”自主研究开发的全可压非静力动力框架 GRAPES_SISL 的基础上，研究发展高计算精度、具有较好计算稳定性的精细区域数值预报模式动力框架， 形成协调合理的精细数值预报系统的核心分量。 主要研究高精度保形的平流计算方法、 精细地形下的水平扩散、 高分辨率地形在模式中的处理方法等。（ 3）精细物理过程参数化方案。主要研究精细尺度（云可分辨尺度）下的现有 GRAP

13、ES 中尺度模式物理过程参数化方案的优化和改进，同时发展一套适应云可分辨尺度的新物理过程方案， 特别是云微物理和边界层方案。（ 4）精细非静力平衡数值天气预报模式侧边界处理技术。主要研究使精细尺度模式大气和大尺度模式大气之间在侧边界上的动力、物理过程协调一致的处理方案。（ 5）高影响天气的短时预报技术。主要研究基于精细数值预报模式产品并有效结合雷达、 卫星遥感及其它高时空分辨率观测和分析资料的高影响天气短时预报技术， 开发建立具有业务应用能力的试验7系统。（ 6）多种高密度气象观测资料在评估精细数值模式中的应用。研究多种及高密度观测资料的质量控制和误差估计理论， 并形成高分辨率多种观测资料的融

14、合场和数据库，用于检验评估本课题研发的精细数值预报模式。考核指标：（ 1）完成精细三维 /四维变分资料同化系统设计，该系统具有直接同化天气雷达、自动气象站、 GPS、风廓线仪等高分辨率探测资料的实际应用能力；（ 2）精细三维 /四维变分资料同化系统可试验性地提供云参数及边界层参数的同化产品，并能够明显改善精细数值预报模式的结果；（ 3）水平分辨率达 35km 的精细非静力平衡数值模式能够合理地预报或者再现我国典型灾害性天气的中小尺度结构特征， 并可试验性地提供 636 小时的高影响灾害精细化天气预报结果；（ 4）提出精细尺度非静力平衡数值模式的侧边界处理方案、嵌套方法，以及实际应用试验；（ 5

15、）形成格点化的高分辨率观测资料数据库，提供对精细数值预报模式的检验评估结果和技术文档材料。申报单位条件要求：本课题是作为 “十五 ”研究成果GRAPES_Meso 中尺度模式进8一步深入发展课题， 云可分辨精细数值预报模式也是当前国际上热门研究课题和未来业务数值预报发展方向，这就要求承担单位的研究队伍不仅要具有高分辨率中尺度模式系统的研发经验和基础基础，同时，考虑到工作的连续性，承担单位还要熟悉“十五 ”成果GRAPES_Meso 的工作。因此，对本课题申报单位要求具备以下条件：。（ 1）人力资源：能组建一支高素质的研究队伍，其主要骨干在高分辨率资料同化及数值预报模式设计， 和计算机软件的研发

16、等方面有丰富的研究经验与研究工作积累。 对国际上的发展动态、 与主要国家的业务技术均有深入的了解和联系。 研究队伍的主力是年青的高学历数值预报科技人员，包括在地球科学、计算数学、气象数值预报及非静力平衡模式、大气物理、计算机与网络、并行运算、数据库等领域的专门人才， 可以形成多学科交叉的整体优势， 并确保在项目的实施期间有足够的人力大部分时间投入本课题研究。（ 2）基础条件：具有能保证课题研究开发和技术目标实现的环境计算机和数据库条件，项目实施所使用的计算机平台及数据输入/输出接口与成果业务化的环境相同， 尤其是高性能计算机的运算能力和存储能力要确保四维资料同化、 高分辨率中尺度模式的大规模科

17、学计算对计算机资源的巨大需求。（ 3）组织与管理：具有健全的科研管理体系和组织国家重大科技攻关项目的管理经验积累。 能对项目实施进行有效管理， 确保项目实施按计划进度进行与研究目标的实现。9（ 4）相关研究基础：本课题的业务应用指向非常明确，采用与项目一体化的研究技术平台（如数值模式、资料同化、数据流程、环境支持系统等）， 任务承担单位需要具有相关研究与应用的基础，具有课题研究方向的工作积累。经费：课题总经费725 万元。其中国拨经费585 万元，配套经费140万元。课题 3：交互式观测 -预报系统创新技术主要研究内容：本课题主要围绕适应性观测与同化策略、交互式观测-预报技术开展研究，即适应性

18、观测（或目标观测）敏感区估算方法研究，背景误差估算与流型依赖性研究，适应性观测资料同化方法研究，基于GRAPES模式的交互式观测 -预报系统技术应用试验示范等。考核指标：（1）开发建立我国高影响天气的上游敏感区估算技术，并提供技术文档和实验结果；（2）开发建立适应性观测的资料同化技术，并提供技术文档和实验结果；（3）建立我国高影响天气交互式观测预报示范系统，给出典型示范应用个例试验结果。10申报单位条件要求：本课题内容既涉及学科前沿方向，也涉及到气象业务观测系统支持技术，是基于国际大气科学研究计划观测系统研究与可预报性试验（ THORPEX, THe Observation system Re

19、search andPredictabilityEXperiment）思想提出来的，对未来的气象业务数值预报有重要的导向意义。本课题承担单位需要了解THORPEX 计划，并具有相关的工作积累和基础。因此，对本课题申报单位需要具备以下条件：（ 1）人力资源：能组建一支高素质的研究队伍，其主要骨干在观测系统与适应性观测、 误差增长与适应性资料同化、 数值预报模式的研发等方面有很好的研究经验与工作积累。对国际上的发展动态、THORPEX 计划及进展。 研究队伍的主力是年青的高学历数值预报科技人员，包括在地球科学、计算数学、泛函理论、气象数值预报、大气物理、观测系统技术等领域的专门人才，可以形成多学科

20、交叉的整体优势，并确保在项目的实施期间有足够的人力大部分时间投入本项目研究。（ 2）基础条件：具有能保证课题研究开发和技术目标实现的环境计算机和数据库条件，项目实施所使用的计算机平台及数据输入/输出接口与成果业务化的环境相同，尤其是高性能计算机的运算能力和存储能力要确保四维适应性观测资料同化、高分辨率数值模式的大规模科学计算对计算机资源的巨大需求。（ 3）组织与管理：具有健全的科研管理体系和组织国家重大科技攻关项目的管理经验积累。能对重大科研项目实施进行有效管理，11确保科研项目实施按计划按进度进行，研究目标如期实现。（ 4）相关研究基础：本课题的业务应用探索非常明确，采用与项目一体化的研究技

21、术平台（如数值模式、资料同化、数据流程、环境支持系统等）， 任务承担单位需要具有相关研究与应用的基础，具有课题研究方向的工作积累。经费：课题总经费480 万元。其中国拨经费360 万元，配套经费120万元。课题 4：短期气候集合预测技术主要研究内容：开展气候模式预测的误差订正理论与方法研究，针对各模式的集合后报试验，研制开发具有物理基础的、 可业务应用的气候模式的系统性误差订正系统； 进行不同初值最优集合方法研究，研发相应的业务应用的最优集合系统；研发多模式集合预测方法；集成课题成果，建立多初值、多模式集合预测业务系统。考核指标：（ 1）确定三个以上已有气候预测模式， 完成多个气候预测模式的多

22、初值集合后报试验，后报时间在 2 年以上；（ 2）提出气候预测模式的误差订正和多初值、 多模式集合的理论与方法，并实现业务环境下的实际应用；12（ 3）针对国家级季节气候预测模式， 提出将统计预报中的相似理论与动力模式相结合的相似 -动力集合预测方法， 订正模式系统误差，建立相似 -动力气候预测系统；（ 4）建立适合于东亚地区的多初值、 多模式、多方法的超级集合季度气候预测系统，改进业务季节预测水平。提供相关的技术文档材料。申报单位条件要求：本课题涉及国家气候预测业务系统的改进、升级、新集合预测技术的研究开发，要求承担单位不仅要具有业务运行环境条件，同时，考虑到工作的平台基础， 承担单位还要熟

23、悉现有国家气候预测业务系统的技术性能和运行环境。 因此，对本课题申报单位要求具备以下条件：（ 1）人力资源：能组建一支高素质的研究队伍，其主要骨干在资料同化（包括海洋资料同化）、计算机与并行计算软件、短期气候动力模式预测系统的研发等方面有丰富的研究经验与研究工作积累。对国际上的发展动态、与主要国家的业务技术均有深入的了解和联系。研究队伍的主力是年青的高学历数值预报科技人员，包括在地球科学、计算数学、气候数值预测、大气物理、计算机与网络、并行运算、数据库等领域的专门人才，可以形成多学科交叉的整体优势，并确保在项目的实施期间有足够的人力全部投入本项目研究。（ 2）基础条件：具有能保证课题研究开发和

24、技术目标实现的环境计算机和数据库条件，项目实施所使用的计算机平台及数据输入/13输出接口与成果业务化的环境相同，尤其是高性能计算机的运算能力和存储能力要确保多初值样本、 多模式短期气候预测的大规模科学计算对计算机资源的巨大需求。（ 3）组织与管理：具有健全的科研管理体系和组织国家重大科技攻关项目的管理经验积累。 能对项目实施进行有效管理， 确保项目实施按计划进度进行与研究目标的实现。（ 4）相关研究基础：本项目的业务应用指向非常明确，采用与业务气候预测系统一致的研究技术平台 （如大气与海洋分量模式、 资料同化、数据流程、环境支持系统等），任务承担单位需要具有相关研究与应用的基础，具有课题研究方向的工作积累。经费：课题总经费 685 万元。其中国拨经费 525 万元，配套经费 160 万元。14