Noah-MP陆面模式改进及EnKF陆面同化系统在GRAPES_Meso模式耦合研究

Due to the closed development trend of land surface and meteorology in the world, the research project aims to improve the forecast capability of meteorological factors in surface layer and quantitative precipitation forecasting of GRAPES_Meso model，strengthen the service level of weather forecast and hydrometeorological disasters. Base on GRAPES_Meso model, the improvements were in the following points: (1) based on Noah-MP land surface model, the Noah module was improved by the ‘double excess’ runoff, which could reflect both the excess storage runoff and the infiltration excess runoff generation ; (2) coupling the routing module, included the concentration of surface flow ,interflow, subsurface flow and river channel; (3) the forecast precipitation and parameters of hydrological process were subdivided into subgrid, to consider the influence of land surface in subgrid-scale on the land surface and meteorology;(4) based on the improved land surface model and EnKF technology, developing the land surface assimilation system coupling with the GRAPES_Meso model; (5) the experiments were carried out to evaluate the hydrologic factors , near-surface meteorological factors and so on , studying the interaction and influence of land surface and meteorology.

该项目紧扣国内外陆、气耦合研究的发展趋势，以改善气象近地面要素的预报性能，提升GRAPES_Meso模式预报能力，增强天气预报与水文气象灾害风险预警业务预报和服务水平为目标，基于我国自主研发的GRAPES_Meso数值天气预报模式，对陆面模式和陆面同化中存在的问题做以下几方面研究：（1）基于Noah-MP陆面模式，在Noah方案中引入“双超”产流模块，以描述超渗和蓄满两种产流特性；（2）嵌入精细化汇流模块，以更好对地表径流、壤中流、地下径流和河道的汇流特性进行时、空上的分析；（3）利用次网格内降水和水力传导度等参数的空间变异性，考虑次网格内的下垫面变化的对陆面和大气产生的影响；（4）基于改进的陆面模式和EnKF技术，构建基于EnKF的陆面同化系统，与GRAPES_Meso模式相耦合；（5）开展滚动试验，评估模式对水文要素、近地面气象要素等模拟效果，研究陆、气之间相互作用和影响。

陆面模式的核心是对陆面过程进行描述，模拟陆-气之间各种通量和物质交换，为数值天气预报模式提供合理的下边界条件。陆面模式中的水文模块是对陆面水文过程模拟。随着中国气象局自主研发CMA-MESO模式（原GRAPES_MESO模式）水平分辨率的提高，陆面模式中单一的蓄满产流机制和单一的汇流方式已不能模拟复杂下垫面的水流运动特征，同时需要更为精确的土壤温、湿度初始场以提高陆面模式和大气模式的模拟精度。本项目以CMA-MESO模式为基础，结合产汇流机制和陆面同化技术，主要进行以下四个关键方面研究：.（1）建立次网格内下垫面特征先验参数化方案与参数敏感性分析技术方案，将部分产流参数与地形、植被覆盖率等因素建立关系，发展次网格内地形影响的降水分配方案，利用参数和降水反映次网格的不均匀性，已应用于陆面模式。 .（2）研发“双超”产流模块，针对业务模式出现的问题，发展了既能反映湿润地区的蓄满产流机制，又能反映半湿润、半干旱以及干旱地区的超渗产流机制的“双超”产流模块，与CMA-MESO耦合，完善了陆面模式产流方案。.（3）发展了精细化的汇流模块，考虑次网格内的参数不均匀性，建立土壤类型等数据与汇流参数建立定性或定量关系，研发了精细化的汇流方案，为CMA-MESO模式提供精细化的径流深和流量等模拟结果，中小河流洪水、山洪与地质灾害气象风险预警等业务提供技术支持。.（4）建立基于EnKF技术的陆面同化系统，与CMA-MESO模式进行耦合，利用观测两米气温、两米相对湿度以及亮温数据，对陆面模式植被层土壤变量进行同化分析，连续试验结果证明加入陆面同化系统后提升CMA-MESO模式近地面气象要素以及降水预报精度，为陆面同化技术的业务化应用提供技术借鉴。