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。      

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....     

随机物理过程扰动方案在克拉玛依区域集合预报中的应用研究

克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。     

我国东部地区NDVI与气温、降水的关系研究

利用东部地区的1982—2001年归一化植被指数(NDVI)资料以及131个标准气象台站的气温、降水资料,用相关分析、奇异值分析(SVD)方法研究了该地区的植被与气温、降水的相互作用,得到以下几点认识：NDVI的最大值滞后于气温最高值的时间尺度在一个月左右。前期气温与后期NDVI的相关系数在春夏为负值,在秋冬却以正值为主。前期植被与后期气温的相关系数以负值为主。NDVI最大值滞后于降水最大值的时间尺度在两个月左右,同期NDVI与降水的相关系数为负值,而无论降水超前于NDVI或者NDVI超前于降水的时间尺度大于1个月时,二者的相关系数转为正值。由SVD方法得到东部地区7月份的NDVI与8月份的气温、降水有较好的相关关系。河南西南部及东北部区域NDVI与大部分地区的气温为正相关;长江流域NDVI与32 °N以南地区的降水有较好的负相关。因此,前期植被的变化特征可以作为后期气温、降水的预报的一种参考因子。     

THE EFFECTIVENESS OF GENETIC ALGORITHM IN CAPTURING CONDITIONAL NONLINEAR OPTIMAL PERTURBATION WITH PARAMETERIZATION “ON-OFF” SWITCHES INCLUDED BY A MODEL

In the typhoon adaptive observation based on conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP), the ‘on-off’ switch caused by moist physical parameterization in prediction models prevents the conventional adjoint method from providing correct gradient during the optimization process. To address this problem, the capture of CNOP, when the “on-off” switches are included in models, is treated as non-smooth optimization in this study, and the genetic algorithm (GA) is introduced. After detailed algorithm procedures are formulated using an idealized model with parameterization “on-off” switches in the forcing term, the impacts of “on-off” switches on the capture of CNOP are analyzed, and three numerical experiments are conducted to check the effectiveness of GA in capturing CNOP and to analyze the impacts of different initial populations on the optimization result. The result shows that GA is competent for the capture of CNOP in the context of the idealized model with parameterization ‘on-off’ switches in this study. Finally, the advantages and disadvantages of GA in capturing CNOP are analyzed in detail.     

青藏高原冬春季积雪异常对中国春夏季降水的影响

利用1956年12月～1998年12月共42a，青藏高原及其附近地区78个积雪观测站的雪深和我国160站月降水的距平资料，分析了其气候特征，并用SVD方法分析了冬春季积雪异常与春夏季我国降水异常的关系。用区域气候模式RegCM2模拟了青藏高原积雪异常的气候效应并检验了诊断分析的结果。分析表明，雪深异常，尤其是冬季雪深异常是影响中国降水的一个因子。研究证明，高原冬季雪深异常对后期中国区域降水的影响比春季雪深异常的影响更为重要。数值模拟的结果表明，高原雪深和雪盖的正异常推迟了东亚夏季风的爆发日期，减弱了季风强度，造成华南和华北降水减少，而长江和淮河流域降水增加。冬季雪深异常比冬季雪盖异常和春季雪深异常对降水的影响更为显著。机理分析指出，高原及其邻近地区的积雪异常首先通过融雪改变土壤湿度和地表温度，从而改变了地面到大气的热量、水汽和辐射通量。由此所引起的大气环流变化又反过来影响下垫面的特征和通量输送。在湿土壤和大气之间，这样一种长时间的相互作用是造成后期气候变化的关键过程。与干土壤和大气的相互作用过程有本质差别。     

奇异谱分析的广义性及其应用特色

本文从理论上证明,奇异谱分析（ＳＳＡ）是一种广义功率谱分析。其广义性及应用特色是：（１）它具有稳定的识别和强化信号功能,在识别优势周期信号及强化显示方面,功能超过最大熵谱分析（ＭＥＳＡ）;（２）其识别和描述信号的方式是时域性的频域特征分析,即时频域相结合,有益于天气气候诊断和预测;（３）它并不受正弦波假定的约束,对于各种非正弦波信号同样有稳定的识别功能。文中实例也验证了理论证明。     

What Kind of Initial Errors Cause the Severest Prediction Uncertainty of El Nino in Zebiak-Cane Model

With the Zebiak-Cane （ZC） model, the initial error that has the largest effect on ENSO prediction is explored by conditional nonlinear optimal perturbation （CNOP）. The results demonstrate that CNOP-type errors cause the largest prediction error of ENSO in the ZC model. By analyzing the behavior of CNOPtype errors, we find that for the normal states and the relatively weak E1 Nifio events in the ZC model, the predictions tend to yield false alarms due to the uncertainties caused by CNOP. For the relatively strong E1 Nino events, the ZC model largely underestimates their intensities. Also, our results suggest that the error growth of E1 Nifio in the ZC model depends on the phases of both the annual cycle and ENSO. The condition during northern spring and summer is most favorable for the error growth. The ENSO prediction bestriding these two seasons may be the most difficult. A linear singular vector （LSV） approach is also used to estimate the error growth of ENSO, but it underestimates the prediction uncertainties of ENSO in the ZC model. This result indicates that the different initial errors cause different amplitudes of prediction errors though they have same magnitudes. CNOP yields the severest prediction uncertainty. That is to say, the prediction skill of ENSO is closely related to the types of initial error. This finding illustrates a theoretical basis of data assimilation. It is expected that a data assimilation method can filter the initial errors related to CNOP and improve the ENSO forecast skill.     

华北陆块岩石圈减薄作用:热薄化与机械拉伸的数值模拟研究

针对华北陆块岩石圈减薄作用的动力学机制开展了一系列二维定量数值模拟研究。其模拟结果表明,在给定的岩石圈热传导和放射性生热条件下,岩石圈底部地幔热流(mantlethermalflux)的增加能导致岩石圈内热状态的明显改变,导致早古生代以来华北岩石圈厚度的巨大变化,当地幔热流达到35～40mWm-2,华北陆块的岩石圈厚度将减薄至100km以内。单纯的机械拉张同样能导致岩石圈厚度的薄化,但岩石圈厚度的减薄相对有限。即使拉张伸展率达25%,其岩石圈厚度最大减薄至150km。因此通过数值模拟的研究揭示了这样的事实,即华北陆块岩石圈厚度的减薄主要受制于岩石圈内热状态的变化,以热侵蚀的减薄方式为主,机械拉张作用可能对华北陆块岩石圈厚度的减薄作用有一定贡献。     

利用ANSYS WORKBENCH模拟火山岩浆活动热扩散过程

火山喷发必然伴随着高温岩浆侵入体把热量从岩石圈深部携带到地壳浅层的过程,因而火山区往往也是地热资源富集区。火山岩浆侵入体热扩散过程的数值模拟不仅是火山区构造热演化研究的重要手段,而且也是火山区地热资源评估的重要方法。本文利用在工程热物理领域应用甚广、但在地热地球物理领域鲜有报道的有限元软件ANSYS WORKBENCH对火山活动岩浆冷却过程及其对围岩的热扰动过程进行了数值模拟。首先本文建立一系列简单的柱状模型,模拟了不同规模、不同顶板埋深的侵入体的热扩散过程,引入冷却指数α=(T_(侵入)-T)/(T_(侵入)-T_(稳态))×100%及干扰温差ΔT=T-T稳态分别来定量分析岩浆侵入体冷却过程及围岩受侵入体热扩散扰动程度。结果表明,半径为0.5km的柱状侵入体的冷却时间约为50ka左右,对围岩热扰动持续时间不到0.5Ma,最大横向热扰动范围约为3km。而半径1km的柱状侵入体的冷却时间约为200ka左右,对围岩温度场影响可持续1.4Ma,热扰动范围可至7km。顶板埋深越大,侵入体对围岩热扰动的持续时间越短。在上述模拟实验的基础上,本文结合最新的相关研究成果,模拟计算了上地壳岩浆房和上中地壳岩浆房两种情景下长白山天池火山千年大喷发对于温度场的可能影响。结果表明,无论其岩浆房位于上地壳或中地壳上部,千年大喷发对于围岩的热扰动目前还局限于500m左右的范围内,这可能是区内尚无大规模地热显示的原因。