风暴尺度集合预报最优侧边界条件扰动方法设计:个例分析

考虑到全球预报模式与风暴尺度预报模式在分辨率上的显著差异,在构造风暴尺度集合预报系统的时候需要用一个中间分辨率的中尺度区域模式为风暴尺度模式提供侧边界条件扰动,但如何构造侧边界扰动才能更为有效地提高风暴尺度集合预报系统的预报能力目前仍然未知。本文基于WRF模式,通过一次个例试验设计了风暴尺度集合预报中的3种不同侧边界扰动方案,结果表明:直接通过0.5°水平分辨率全球集合预报扰动插值所得到的侧边界扰动(LBC_DOWN)在预报中可以获得较高的大尺度扰动能量,而在中尺度区域模式(本文中为模式外层)中通过ETKF循环所构造的侧边界条件扰动(LBC_CYCLE)包含较高的中小尺度能量,而将LBC_CYCLE中的中尺度扰动信息与LBC_DOWN中的大尺度扰动信息相混合所得到的混合侧边界扰动(LBC_BLEND)在大尺度能量上更接近于LBC_DOWN,在中小尺度能量上更接近于LBC_CYCLE;LBC_BLEND较前两种方案有着更好的离散度技巧表现;在降水概率预报技巧方面LBC_BLEND与LBC_CYCLE较为接近,且均优于LBC_DOWN。     

不同纬度天气尺度扰动影响2020年夏季梅汛期降水的数值模拟

利用观测资料和区域气候模式RegCM4.6,研究了高纬和低纬天气尺度扰动对2020年梅雨期降水的可能影响.观测分析表明:2020年6月、7月长江中下游降水在周期上表现为10 d以下的天气尺度扰动,在降水过程中存在多次中高纬度天气尺度扰动的南传与低纬扰动的北传.在此基础上,设计改变不同纬度天气尺度扰动(＜10 d)输入的...     

基于观测扰动的集合预报EDA初值扰动方法研究

北京城市气象研究院初步发展了3 km分辨率的华北对流尺度集合预报系统.为构建适用于该系统的初值扰动,设计了观测随机扰动方案,并与全球集合预报动力降尺度背景场相结合,利用三维变分同化方法构建了集合资料同化(EDA)初值扰动;开展了EDA方案在华北对流尺度集合预报系统中的批量试验,并与动力降尺度初值扰动方法进行了对比.结果...     

GRAPES区域集合预报两种侧边界扰动方法对比试验

中国气象局数值预报中心自2014年建立了区域集合预报业务系统,其使用的侧边界扰动由全球集合预报系统动力降尺度得到。为深入了解侧边界扰动对区域集合预报的影响,基于15 km水平分辨率的区域集合预报模式,使用动力降尺度方法和尺度化滞后平均法(scaled lagged average forecasting,SLAF)设计构造了两种侧边界扰动方案,并开展了2015年7月共6天的集合预报试验,利用集合均方根误差、集合离散度、连续分级概率评分、离群值、Brier Score及相对作用特征曲线面积等概率预报检验方法进行了多方面检验,分析了两种侧边界扰动方案对区域集合预报质量的影响。结果表明:动力降尺度侧边界扰动方案(DOWN)的扰动总能量在各垂直层次均大于SLAF方案,使得边界上前者的离散度大于后者,集合扰动增长更为合理;对于等压面要素和地面要素,DOWN方案的离散度、Outlier、CRPS等评分优于SLAF方案,反映了DOWN方案构造的侧边界扰动更加合理;在降水概率预报技巧方面,SLAF方案在评分上具有一定优势,但评分的提高没有通过显著性水平检验,因此认为两种方案对降水预报的改进基本相当。     

集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究

目前国际上采用的奇异向量集合预报初值扰动法对于初值不确定性的描述存在一定的不足,为了更有效地反映初始误差的时空多尺度特性,基于GRAPES全球奇异向量计算技术,计算了不同空间分辨率及不同最优时间间隔的多个尺度的奇异向量,并采用基于高斯分布的线性组合法来构造多尺度奇异向量的扰动初值,以代表在相空间中增长最快的多尺度初值误差模态。通过2019年1月19日的初值扰动集合预报试验,对比分析了单一尺度奇异向量初值扰动法与多尺度初值扰动法的扰动特征及集合预报效果。结果表明,多尺度奇异向量初值扰动法为区域集合预报提供的初始扰动场是合理的,扰动的大小随时间增长,且在空间分布上较好地反映了当前大气的斜压不稳定特征。此外,多尺度奇异向量扰动可以描述一定的大尺度以及中小尺度运动误差特征,较单一尺度奇异向量扰动能反映出更多初始场的不确定性信息。检验分析表明,GRAPES多尺度奇异向量集合预报在集合一致性、连续等级概率评分、离群值等方面有一定的优势,相比于单一尺度奇异向量法有较好的预报技巧。因此,基于GRAPES的多尺度奇异向量初值扰动法对于集合预报的预报效果有一定的提高,能为构建一套完善的GRAPES区域奇异向量集合预报系统提供一定的科学依据和应用基础。      

不同扰动方法集合离散度演变的异同性暨地形扰动初探

基于北京“7.21”特大暴雨个例,设计了一种考虑地形不确定性对降水影响的集合预报方案,在对该方案进行初步评估的基础上,重点通过计算相关系数、扰动总能量和尺度分解,对包括地形扰动方案在内的4种集合预报方案（初值、多物理、地形、初值-多物理混合）中离散度演变的异同性进行了分析。结果表明：（1）考虑模式地形不确定性的扰动方案,在不影响集合平均降水预报质量的基础上,对集合降水预报的离散度和概率预报略有正贡献。（2）离散度空间结构的演变与天气形势的演变密切相关。不同扰动方案产生的离散度在初始时刻的空间分布各不相同,但随模式向前积分其离散度的相似度快速增大,其中0-6 h内增长速度最快,离散度场之间的相关系数可以超过0.6。混合方案与单一扰动方案相比,对离散度空间结构的贡献不大。（3）虽然不同方案的离散度空间结构相似,但其幅度却存在明显的差异,如地形扰动方案的离散度幅度明显小于初值扰动和物理过程扰动方案。混合方案可以增加原单一扰动方案的离散度振幅,但这种增加在高层明显,而在近地面层并不明显,因而增加降水和其他近地面大气变量的离散度要比增加上层大气变量的离散度更困难。（4）尺度分离的结果表明,随着空间尺度的增大和积分时间的延长,不同扰动方法产生的离散度结构会逐渐变得相似,但在积分早期（<12 h）和较小的空间尺度（<448 km）上离散度结构的差异仍明显,并且在较小的空间尺度（<448 km）上,不同扰动方法产生的离散度幅度有明显的差异。所以对于小空间尺度系统或甚短期预报,选择扰动方案比大尺度和较长期的预报更重要。以上研究可为集合预报如何合理采用不同扰动方案或不同方案的组合提供科学依据。     

不同随机物理扰动方案在一次暴雨集合预报中的对比研究

天气预报系统对模式本身的误差非常敏感,尤其是次网格物理参数化过程的不确定性对天气预报系统的准确性具有重要影响。由于风暴尺度系统时间尺度较小、发展剧烈以及高度非线性,传统的中期集合预报方法不再适用。本文将随机物理扰动方案(Stochastic Perturbed Parameterization Tendencies scheme,SPPT)、随机动能补偿方案(Stochastic Kinetic-Energy Backscatter scheme,SKEB)以及混合模式扰动方案(SKEB+SPPT)引入风暴尺度集合预报系统,对2014年5月31日安徽的一次强对流天气过程进行数值模拟,并评估集合预报效果和分析扰动特征及能量变化特征。结果表明:适用于本次天气过程的SPPT方案的时空尺度分别为3 h和60 km;混合模式扰动方案提高了SPPT方案和SKEB方案的集合预报离散度,减小了预报误差,且提高了预报的准确性;混合模式扰动方案减少了SPPT方案和SKEB方案对降水的空报和漏报;混合模式扰动方案的扰动空间分布在预报初期与SPPT方案类似,随着预报时间的推移,其扰动空间形态分布转换为与SKEB方案类似;混合模式扰动方案的扰动动能在所有尺度上都要明显大于其他两种方案,表明两种随机物理扰动方案的结合可以有效弥补两者在不同尺度上的能量缺失。     

风暴尺度集合预报中不同初始扰动的多尺度发展特征研究

基于WRF模式构建集合更新预报系统,利用Haar小波分解方法分析了北京"7·21"特大暴雨过程中三种初始扰动方案所构造集合扰动的多尺度特征,基于此探讨了混合初始扰动方法的可行性,并对比了三种扰动对误差的模拟能力。其中扰动方案一是由集合转换卡尔曼滤波方法(ETKF)对NCEP全球集合预报的分析扰动更新后得到,扰动方案二(DOWN)是直接由NCEP全球集合预报扰动插值到试验所设置的模式网格中得到,而扰动方案三(BLEND)则是将上述二者通过Barnes滤波进行尺度混合后得到。结果表明:各组扰动的能量均随时间增长,其中包含分析不确定性的ETKF扰动在预报中前期有较高的中小尺度能量,而DOWN扰动有较高的大尺度能量且能量增长速度明显快于ETKF,二者能量的大值区最终都向中尺度(64~128 km)部分发展,混合后的扰动(BLEND)能量在预报中前期增长速度最快,综合表现最优。从扰动成分来看,ETKF和DOWN中在预报前期可以快速增长的部分均集中在8~32 km的小尺度上,64~128 km部分的中小尺度的扰动信息增长缓慢,而256 km的中尺度信息则很快被耗散,这为如何选取合理的滤波波段构造多尺度混合扰动提供了依据。从降水预报结果来看,控制预报误差主要集中在降水的大值区,虚假初始扰动会导致预报初期产生虚假降水区;在暖区降水阶段,扰动对误差的模拟能力较弱,而在锋面降水阶段,扰动对误差的模拟能力明显提高,总体来看大尺度的误差较难模拟,三种方案中BLEND对误差的模拟能力最强;根据扰动-误差的相关分析同样验证了BLEND在误差模拟能力方面的优势;在降水预报TS评分方面,各组集合试验均优于控制试验,其中BLEND的效果略优于ETKF和DOWN。     

北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日(“7.21”)北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似, 都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度, 并且主要集中在强降水中心附近, 因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度, 但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km), 其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大, 并且能部分消除预报系统偏差。(3) 所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致, 即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。     

随机物理倾向扰动方案在西部山地对流尺度集合预报中的研究

为了研究随机物理倾向扰动(SPPT)方法在复杂地形条件下对对流尺度集合预报中的影响,针对SPPT随机扰动场的时间尺度、空间尺度和格点标准差三个参数进行敏感性试验,分析扰动变化规律,探讨其预报效果。结果表明:空间尺度90 km、时间尺度3 h和格点标准差0.525参数构造的SPPT随机扰动场结构对西部山地对流尺度集合预报整体效果较好,该试验不同层次高空要素(纬向风场、温度场和湿度场)和近地面要素(10 m风和2 m温度)的离散度增长较快,考虑预报误差的离散度/RMSE也好于其他试验。虽然最优配置试验的3 h累积降水的集合平均相对于其他参数试验没有明显在各个量级上都有提高,但在≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水等级的ETS评分接近或者高于控制试验,概率预报技巧较好。综合来看,空间尺度参数的选取比时间尺度对离散度的影响更加明显,增加扰动振幅对离散度的增加也起到积极的作用,同时可以提高不同量级降水的概率预报技巧。     

考虑尺度敏感性的长江中下游暖区暴雨初始扰动方案比较分析

弱天气尺度强迫背景下的长江中下游暖区暴雨突发性强,高度非线性,难以准确预报,这时考虑不确定因素的集合预报成为重要选项,而对流尺度集合预报核心问题是积分一段时间后离散度偏低,会导致预报失败。比较包含不同尺度扰动信息的对流尺度集合预报方案间的差异性并据此优化初始扰动方案,针对2018年5月4—5日一次典型长江中下游暖区暴雨过程,分别采用动力降尺度（DOWN）、增长模繁殖法（BGM）、局地增长模繁殖法（LBGM）和混合扰动法（BLEND）等四种方法进行集合预报试验,以期探讨对离散度和预报效果的影响。结果表明,在模式积分0~6 h,具有中小尺度扰动信息的BGM和LBGM的离散度优于DOWN,其中LBGM相比于BGM具有一定程度上的改进,说明具有更准确中尺度特征的扰动能够在积分初始阶段获得有效增长,即考虑了中小尺度天气系统局地性的LBGM能弥补BGM的不足;但是,在模式积分12 h以后,具有更多大尺度特征扰动的DOWN优于区域模式中的增长模繁殖法BGM和LBGM,说明经过初始误差快速增长一段时间后,大尺度扰动开始起主要作用。而具有不同尺度扰动信息的BLEND方案则兼具LBGM和DOWN的优势,几乎在整个预报时段离散度较高且概率预报评分较好,体现出混合扰动的优越性。以上结果进一步说明,初始扰动的尺度特征在暖区暴雨的集合预报效果中具有关键性的作用,因而通过调整初始扰动的尺度信息来优化集合预报性能的混合扰动思想,在业务上具有一定的指导意义和推广价值。     

梅雨锋中尺度扰动的结构特征及稳定性研究

利用华东中尺度天气试验(1981—1983年)获得的1981年梅雨锋资料,分析表明梅雨锋降水带内大、暴雨雨团与中间尺度(medium scale)和中尺度(meso scale)扰动相联系,这些扰动是在baroclinic-CISK联合不稳定条件下发展的,最优波长的选择与二维波动的经、纬向波长变化、层结稳定、涡动粘滞性有关,中尺度扰动具有重力惯性波特征。     

随机参数扰动在一次山地暴雨集合预报中的对比研究

基于WRF v3.9模式使用随机参数扰动MYNN边界层方案和RUC陆面过程方案参数对我国西南山地一次特大暴雨模拟,对比评估出山地暴雨集合预报中针对MYNN边界层、RUC陆面过程方案随机参数扰动的较优设置,主要结论如下:随机扰动MYNN边界层方案(SPPM)和RUC陆面过程方案(SPPR)参数试验,扰动的主要是地面和模式低层的变量,扰动能量从模式低层逐步向高层发展,两者相比扰动边界层方案能获得更大的扰动能量;较去空间相关尺度而言,SPPM方案对去时间相关参数的变化更敏感,而SPPR方案由于其扰动能量总体偏小,去空间和时间相关参数的变化对其集合预报性能影响相对较小;SPPM方案中去时间相关选择6 h,去空间尺度选择70 km可以获得较好的集合预报技巧,SPPR方案中相对而言去时间相关选择6 h,去空间尺度选择50 km可以获得较好的集合预报技巧。     

扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用.此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同.结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系.扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负; 二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征; 在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似.在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计.扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多; 南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍.随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减.分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定; 但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%.此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果.关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出.     

对流尺度集合预报中模式地形扰动对其预报技巧的影响研究

基于在重庆市气象局业务运行的对流可分辨尺度(3 km)集合预报系统,在已有初值扰动、模式物理过程扰动和侧边界扰动的基础上,对不同集合成员采用不同地形插值方案和地形平滑方案实现对模式静态地形高度的扰动,体现数值模式中地形转换过程的不确定性,开展集合预报批量平行试验。结果表明:(1)实现对模式静态地形高度的扰动后,各集合成员地形高度的离散度与实际地形的起伏程度对应关系较好,两者空间分布特征非常相似,地形较平坦的平原地区离散度较小,而地形较复杂的高原地区或山区离散度较大;(2)加入模式地形扰动方案后,集合扰动能量总体上有所增大,且低层比中、高层更明显,能量增幅在较短预报时效(12 h)内最显著,随着预报时效延长呈逐渐减小趋势,且能量增幅大值中心主要出现在地形较复杂、集合成员地形高度离散度较大地区;(3)模式地形扰动方案一定程度上能提高降水概率预报技巧及改进集合平均降水预报,在对高空要素和2 m温度、10 m风场等近地面要素的集合平均均方根误差和集合离散度无负面影响的前提下,能一定程度上优化集合分布。     

梅雨期间次天气尺度扰动的动能平衡

计算了梅雨期间产生暴雨的次天气尺度扰动的动能分布及其乎衡。结果表明:1)在动能计算中不能略去风的散度部分;2)暴雨期间,扰动向周围大气输送动能;3)旋转风的动能产生率为负值,散度风在对流层下层和上层产生动能,两者之和仍是消耗动能。这样,次网格尺度对流在动能平衡中起着重要的作用。即在条件性不稳定的大气中,发展起来的温对流是湿斜压大气中重要的一种过程。上述结果有助于了解扰动的机制和改进数值模式的设计。     

论东亚梅雨锋的大尺度环流及其次天气尺度扰动

本文论述东亚梅雨锋的大尺度环流及其次天气尺度扰动,提出了以下的论点;东亚梅雨是印度季风体系与北太平洋哈得来(或信凤)体系之间的过渡带中产生的现象;梅雨锋是半热带、半温带性质的天气系统;梅雨锋暴雨的发展与梅雨锋上次天气尺度扰动有关。文中给出了东亚梅雨锋的大尺度环流及其扰动的概念模式。     

季风槽中热带气旋生成初期扰动的扰动动能收支分析

热带气旋总是发生在天气尺度扰动中,本文利用NCEP/NCAR提供的FNL资料,选取了2004年8月11日—9月10日期间季风槽中5个热带气旋生成初期扰动,通过计算动能收支分析这些初期扰动的发展。其中4个热带气旋都是生成在向西北方向传播的天气尺度波列的气旋性环流中,气旋性环流可以和呈东北—西南方向倾斜西传的MRG波的逆时针环流耦合。动能收支计算表明,初期扰动动能在热带气旋生成前12~72 h不断增加,扰动位势通量的辐合对扰动动能增长起了主要作用。在季风槽东端的合流区时,能量聚集项有重要作用,随着扰动移入季风槽内,低频纬向风切变项成为能量增加的一个重要来源。Sarika生成于季风槽西撤阶段,非线性作用项对扰动发展起了关键作用。     

潜热释放和初始位温扰动对锋生的影响

在Chan和Cho作的基础上,用中α尺度位温扰动代替了原来的中β尺度位温扰动,并且增加了一个高度函数H（Z）,模式还改变了相对湿度的分布,取了可供比较的两个试验,并运行了半地转湿大气锋生模式程序,积分一段时间后,绘出有关的物理量的等值线图,分析、比较了非绝热加热及初始位温扰动对物理量的影响。 试验结果表明:初始位温扰动为中α尺度比中β尺度更接近实际情况,对流层湿度分布不均匀,非绝热加热的作用比初始位温扰动的影响明显些。     

多级扰动法——静力扣除及其在非静力模式设计中的可应用性

在尺度分析的基础上,利用大气垂直运动方程中各项量级的分布特点,提出了多级扰动法.通过它可以使该方程中量级最大的垂直气压梯度力项(VPGF)和重力项(G)的相应扰动项的量级随级次n的增加明显减小,而其他项的量级不变;而且,方程中最大的垂直截断误差的量级也随n的增加而减小,直到高级扰动项不再是扰动方程中仅有的最大项时为止....