引言

目前，世界上主要数值天气预报中心和发达国家都拥有各自的全球中期预报模式，而且始终是发展的主要方向，因为所有的区域模式、中尺度模式和环境模式的初始条件和侧边界都需要由全球模式来提供。数值天气预报水平高低主要取决于3个方面，(1)资料同化方案的先进与否；(2)模式动力过程优越与否；(3)物理过程参数化水平高低。目前一直代表世界数值预报最高水平的ECMWF已将全球中期谱模式的谱分辨率从511波提高到了799波，垂直层次达91层，已扩展到平流层顶，最高层达0.01hPa^[1] 。平均500 hPa位势高度场预报的可用性已达到了7天，在冬季甚至达到了9天。美国NCEP也已将分辨率提高到382波来改善其预报性能。日本则已将谱模式分辨率提高到959波。当然模式性能的提高不可能仅仅依靠提高分辨率就可实现的，但不可否认的是在目前情况下，国家气象中心全球中期模式分辨率还存在提升空间。因此国家气象中心自2002年至今，经过5年的努力，成功实现全球模式从T213L31(以下简称T213)升级到T 639L60(以下简称T639)的升级，并于2007年12月14日通过准业务运行评审，将于2008年初试提供相关产品。

1 全球谱模式的升级

目前国家气象中心的全球中期模式为T213，其谱分辨率为213波，垂直层次为31层。该模式于2002年9月正式投入业务运行，该模式在动力过程和物理参数化方案上都明显优于T106L19。各种预报量检验结果表明模式性能明显优于T106L19^[2-3]。为能够与国际先进数值预报水平保持甚至缩短差距，国家气象中心与ECMWF合作，共同推进中期模式的进步。2004年初，从E CMWF引入稳定外插半拉格朗日方案(SETTLS)，该方案保证了时间积分的稳定性，实现归约高斯格点向线性高斯格点的转换，在保证不引入噪音的情况下，加大时间步长，为提高谱分辨率提供优越的动力基础。具体的原理性介绍参见相关文献^[4-5]，这里不再赘述。在双方专家的共同工作下，成功地在T213L31动力过程模块中引入SETTLS方案，短期试验结果分析表明，引入该方案后模式运行性能稳定，将积分步长从原来的15分钟加大到30分钟，仍然有很好的精度。

在这种情况下，经过过渡阶段将T213L31升级到T319L31后，经过长期试验证明性能稳定可靠后，在解决了模式分辨率进一步升级的关键技术问题后，又将模式的谱分辨率从213波提高到639波，格点空间水平分辨率从T213的0.5625°×0.5625°提高到0.28125°×0.28125°，将模式垂直分辨率从31层提高到60层，使模式层顶从原先的10hPa升至0.1hPa，并采用Ray leigh摩擦增加平流层的稳定性。在模式成功升级后，实现同三维变分同化系统GSI的成功联接，进行连续滚动同化预报试验，时间段为2006年7月1日至2007年11月30日，下面对T639系统的模式稳定性、模式形势场和降水预报结果进行分析，对T639系统的预报性能作简要评估。

2 T639运行性能分析

T639试验系统采用的时间步长为600s，每天4次连续同化，每天12UTC进行10天预报。由于系统对磁盘空间和机器时间需求相当大，为保证在有限时间内完成1年的回算任务的同时又不影响所有业务，建立了两套试验系统，一套放在业务分区，进行实时试验，系统启动时间为2007年7月21日，另外一套系统建立在科研分区下，负责回算试验，系统启动时间为2006年6月26日。下面通过对模式预报计算机时间分析和全球平均动能和温度的逐日变化分析模式运行的稳定性情况。

2.1 模式10天预报运行时间

在T639连续运行过程中无一次出现异常终止或挂起的情况。从业务分区进行回算试验在每天12UTC进行10天预报耗时的逐日变化来看(图略)，模式10天预报墙钟耗时在业务分区变化幅度较小，在72~76分钟范围内，幅度在4分钟以内。

2.2 模式稳定性分析

图 1是T639全球平均动能12时逐日变化曲线。动能的变化状况也可以反映出模式的守恒与否和动能季节变化情况。从图 1可以看到，T639全球平均动能在试验期间变化非常平稳，在200 6年7月7日12时动能达到最大值492.39m².s^-2和在2006年10月28日12时达到最低值261.55m²·s^-2外，动能基本上在290~450m²·s^-2之间变化。除去动能本身具有的季节变化特征，逐日动能变化可以较为清楚地说明T639模式的动力过程是非常稳定合理的。从图 2可见，全球平均温度最大值为248.06K，最小值为247.18K，逐日变化非常稳定，这也进一步证实T639模式系统性能的稳定可靠。

3 与业务模式预报性能对比分析 3.1 形势场检验结果分析

检验全球中期模式性能的好坏要点之一是看它对形势场预报的性能如何，尤其是对500hPa位势高度场的预报。对于中国的预报员而言，最重要的区域自然是东亚区域，而北半球的形势场也是一个参考依据之一。依照国家气象中心的业务检验系统定义东亚地区范围：15~65°N、70~145°E，北半球范围：20~90°N、0~360°，检验时效为10天。检验方法为目前较为典型的距平相关系数和均方根误差检验。

图 3是T639和T213在东亚和北半球地区500hPa位势高度10天预报的距平相关系数年平均分布情况。从图 3可以看到，年平均情况下，T639在所有时效上的预报均略有优势，东亚地区在第5~8天提高最为明显，预报可用时效提高1天。在北半球，表现为在第5~9天预报效果提高最为显著，预报可用时效提高将近1天。

从季节分析来看T639和T213的预报性能，可以对模式预报能力的季节特征有较清晰的认识。从各个季节500hPa相关系数分析(图略)可见，在春季T639的距平相关系数在72小时略低于T213，在其它时效均高于T213，预报可用时效提高1天；在北半球地区，T639在所有时效一致好于T213，预报可用时效提高1天以上。在夏季，T639在所有时效一致好于T2 13，但在东亚地区可用预报时效提高不明显；在北半球地区，预报可用时效也提高1天，达到6天。秋季，东亚地区T639在所有时效一致好于T213，预报可用时效提高0.5天左右，在北半球T639可用预报时效提高1天左右。冬季，东亚地区可用预报时效提高1天以上，北半球地区可用预报时效提高近1天。

从一年的平行试验结果中可见，T639在东亚区域和北半球500hPa形势预报上要明显优于T213，预报可用时效在各个季节均有明显提高，在冬、春季表现最为明显。

3.2 降水预报结果检验分析

主要降水检验采用方法包括24小时累积降水的T_S评分，预报偏差，空报率和漏报率。降水的量级划分为5个量级，降水预报时效目前仅考虑至132小时。由于目前模式预报的起报时间为世界时12时，而目前得到的24小时累积降水量的观测值的开始时间为当日世界时00时至次日世界时00时，预报起报时间与观测开始时间相差12小时。所以为保证时段的对应，下文图中标识的36小时实际为预报时效12~36小时之间的24小时累积降水(简称第一天)，60小时则表示从36~60小时之间24小时累积降水(简称第二天)，84小时代表 60~84小时内24小时累积降水(简称第三天)，108小时表示84~108小时内24小时累积降水(简称第四天)，132小时表示108~132小时间24小时累积降水(简称第五天)，所以降水检验共对模式预报的未来5天的24小时累积降水进行了客观检验。所有检验方法和标准均为目前国家气象中心业务方法^[6-7]。

3.2.1 年平均状况

本文将同期全球业务模式T213的检验结果与T639进行对比分析。图 4为24小时累积降水全国平均年平均T_S评分情况。

T_S量级分析上看，T639在小雨预报量级上5天预报均好于T213；在中雨量级上，除第4天预报评分低于T213外，其它时效均要好。在大雨量和暴雨量级上，5天预报均好于T213。

预报时效上看，在第1、2、4和5天预报上，T639所有量级的T_S评分均比T213好，以第1天大暴雨量级差别最明显；在第3天预报上，除大暴雨评分低于T213外，其它T_S评分均高于T213。

通过对24小时累积降水年平均的分析，可以看到，T639在T_S评分方面评价要明显优于T213。但是如果单从T_S评分来看模式降水预报性能是片面的，图 5是5天24小时累积降水预报年平均预报偏差对比图。这里给出了5天预报的小、中和大雨和暴雨4个量级的偏差值，偏差值以1为标准，小于1表示预报出现降水台站数小于实际出现降水台站数，反之亦然。从图上可以看到，无论是试验模式还是业务模式，二者的降水偏差都是偏大的，中雨和大雨这两个量级空报降水的现象明显偏多。

在小雨量级上，T639与T213相当，中雨上，T639明显好于T213，大雨上，在第1~4天T6 39好于T213，第5天比T213略差。在暴雨量级上，T639预报偏差要比T213差。

从预报时效上看，第1~4天，T639小雨偏差与T213相当，暴雨比T213差，其它量级均好于T2 13；第5天，T639在小、中雨上优于T213，在大雨和暴雨量级上比T213差。

上面对全国24小时累积降水预报的年平均T_S评分和预报偏差进行了简要分析，总体而言T639年平均状况下降水预报性能要好于T213。中国大部分地区降水集中出现在夏季，即6 —8月，夏季降水预报性能的优劣是预报人员关注的重点。

3.2.2 夏季降水预报性能检验

图 6是2007年夏季全国平均24小时累积降水T_S评分，不难看出，T639小雨量级的T_S评分在5天预报中均要高于T213。中雨上，T639前2天的优势较后3天更为明显。大雨方面，T639的T_S评分在5天均高于T213。暴雨上，T639同样一致好于T213，在第1天更为明显。

从预报时效上来看，T639所有量级降水T_S值在第1、2天均高于T213，第3~5天中，除第3天和第5天的中雨与T213相当外，其它量级T_S值均高于T213。

从上面分析可见，T639在2007年夏季的24小时累积降水的T_S评分，除中雨第3和第5天与T213相当外，一致性高于T213。

图 7为2007年夏季24小时累积降水预报偏差，从图中可以看到，在小雨和中雨量级上，T639预报偏差一致优于T213，在大雨上，T639在第1~2天优于T213，在第3~5天，略差于T213，暴雨上，T639在第1~2天和T213相当，第3~5天则比T213差。

从时效来看，在第1~2天，除暴雨和T213相当外，T639整体降水预报偏差优于T213，在第3~5天，T639的小雨和中雨预报偏差优于T213，但大雨和暴雨则要略差于T213。

4 结论

通过全球中期预报系统成功地从T213升级到T639，对降水和形势场的描绘更加精细。通过对一年多预报试验结果进行分析，得到主要结论如下。

(1) T639系统运行稳定，各项指标均符合准业务运行条件。

(2) 年平均来看，T639系统在东亚和北半球地区500hPa形势预报比T213提高1天，分季节来看，各个季节表现不同，在冬春季优势最为明显。

(3) 年平均降水预报性能方面，T639在小、中和大雨方面，无论从T_S还是预报偏差方面均明显好于T213，在暴雨上的T_S高于T213，但预报偏差也随之比T213差。

(4) 在夏季降水预报性能方面，T639在T_S和预报偏差上，小到中雨，T639要明显好于T213，在大雨和暴雨上，T639第1~2天要好于T213，在第3~5天，虽然T639的T_S值高于T213，但预报偏差比T213差。

本文从统计检验的角度分析了T639中期数值预报系统的预报性能，T639无论从形势场预报和降水预报上均比现有业务模式T213有明显改进，并计划于2008年汛期向各级气象部门提供预报产品。T639在今后的实际业务服务中能力如何，将有待各级气象部门的科技人员在今后对T639产品使用中提供更加确切的评估。