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数值预报在青藏高原的不确定性对其下游预报的影响

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高原气象 2016年第6期35卷 1430-1440页

作者：张宇陈德辉仲跻芹南京信息工程大学南京210044 中国气象科学研究院北京100091 国家气象中心北京100091 中国气象局北京城市气象研究所北京100142

通过NCEP全球预报在不同地区的预报误差分析、包含大地形(亚洲青藏高原、北美落基山脉)与否的区域模拟试验、同化青藏高原地区人造观测的观测系统模拟试验,探讨了数值预报在青藏高原地区的不确定性对其下游地区预报的影响。结果表明:(1... 详细信息

通过NCEP全球预报在不同地区的预报误差分析、包含大地形(亚洲青藏高原、北美落基山脉)与否的区域模拟试验、同化青藏高原地区人造观测的观测系统模拟试验,探讨了数值预报在青藏高原地区的不确定性对其下游地区预报的影响。结果表明:(1)数值模式在青藏高原地区的不确定性包括模式本身的动力与物理过程不确定性以及模式初值的不确定性,这种不确定性引起的预报误差会制约青藏高原下游地区预报性能;(2)若数值模拟区域不包含青藏高原地区,可避免青藏高原地区的模式不确定性引起的预报误差对下游地区的影响,提高下游地区预报技巧;(3)同化青藏高原地区"人造"加密观测资料,可有效减少数值预报在青藏高原地区的初值不确定性,进而减小青藏高原本区及其下游地区的预报误差、改进预报水平。

关键词：青藏高原模式不确定性初值不确定性观测系统模拟试验

条件非线性最优扰动方法在草原生态系统模式模拟不确定性中的应用研究

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条件非线性最优扰动方法在草原生态系统模式模拟不确定性中的应用...

作者：谢东东兰州大学

学位级别：硕士

本文基于五变量草原生态系统理论模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,探讨了草原生态系统模式模拟的不确定性问题。主要内容和结论如下：首先对五变量草原生态系统理论模式进行了敏感性试验,结果表明该模式可以清晰地模拟出草原生态系... 详细信息

本文基于五变量草原生态系统理论模式和条件非线性最优扰动(CNOP)方法,探讨了草原生态系统模式模拟的不确定性问题。主要内容和结论如下：首先对五变量草原生态系统理论模式进行了敏感性试验,结果表明该模式可以清晰地模拟出草原生态系统的一些基本的非线性特征,如多平衡态、分岔、突变等。在此基础上,建立了研究草原生态系统模式模拟不确定性的非线性优化系统。其次,探讨了由参数不确定性导致的草原生态系统模式模拟结果的不确定性问题。参数的不确定性可能来源于观测和(或)对物理过程描述等的不确定性。选取了五变量草原生态系统模式中具有物理意义的32个模式参数,分别进行了单参数和多参数优化。试验结果表明,对所考察的32个模式参数,在一定的不确定性和给定的优化时刻范围内,单独优化每个参数所得CNOP-Ps的联合模态与同时优化32个参数所得CNOP-P的模态并不相同。比较了上述两类参数误差以及随机参数误差对草原生态系统模拟的差异。随机参数误差与上述优化方法所得参数误差的不确定性范围大小相同。数值结果表明,同时优化32个参数所得CNOP-P类型参数误差使得草原生态系统模拟的不确定性程度最大。这种影响表现在使得草原生态系统变为沙漠生态系统,或者使得草原生态系统变为具有更多生草量的草原生态系统。上述数值结果不依赖于优化时间和参数不确定性程度。本文进一步考察了参数的不确定性使得草原生态系统得以维持或退化的问题,并且探讨了草原生态系统维持或退化的最大程度。草原生态系统的维持是指草原生态系统中生草量和枯草量与参考态相比保持不变或者增加,草原生态系统的退化是指与参考态相比生草量和枯草量减少或转变为沙漠生态系统。比较了多参数优化所得CNOP-P(局部CNOP-P)和给定的线性组合参数误差的差异,探讨了上述两类参数误差对五变量草原生态系统模拟的影响。线性组合参数误差是通过将使得草原生态系统维持或者退化的单个参数误差进行组合得到。试验结果表明,32个模式参数在一定的不确定性和给定的优化时刻范围内,多参数优化所得CNOP-P的模态与线性组合参数误差的模态相同,它们对草原生态系统模拟的影响表现在都使得草原生态系统得以维持。随着参数不确定性范围增大,多参数优化所得CNOP-P模态与线性组合参数误差的模态不同,区别在于部分参数误差分量符号相反;二者对草原生态系统模拟的影响不同,主要区别在于虽然都使得草原生态系统得以维持,但CNOP-P对草原生态系统维持程度更大。对于不同大小的参数不确定性范围,多参数优化所得局部CNOP-P的模态与每个参数误差都使得草原生态系统退化的线性组合的模态始终相同,它们对草原生态系统模拟的影响表现在都使得草原生态系统转变为沙漠生态系统。上述结论不依赖于目标函数的选取。这些数值结果表明随着参数不确定范围变大,使得草原生态系统维持的单个参数误差的线性组合并不是使得草原生态系统维持程度最大的参数误差,同时表明参数误差模态对于草原生态系统的维持是非常重要的。最后,我们考察了由初值和参数的不确定性导致的草原生态系统模拟结果的不确定性问题。数值结果表明：在模式积分的初始时刻,初始误差和参数误差都会对模拟结果产生影响,模式积分到一定时间后对模式模拟结果起主要作用的是模式参数误差,也就是说,初值的不确定性只在模式积分开始阶段对模拟结果产生不确定性,模式积分一定时间后主要是由于参数取值的不确定性导致模式模拟结果的不确定性。这说明随着积分时间的增长,模式参数误差是产生模拟结果不确定性的首要来源。这些数值结果表明在草原生态系统模式模拟的不确定性问题中参数误差模态扮演重要角色,建议我们应当考虑多参数的非线性相互作用来研究草原生态系统模式模拟的不确定性问题,并且揭示出CNOP方法是讨论上述问题的一个有用工具。

关键词：条件非线性最优扰动草原生态系统初值不确定性参数不确定性模拟不确定性

AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验

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热带气象学报 2010年第6期26卷 733-742页

作者：李俊杜钧王明欢公颖赖安伟中国气象局武汉暴雨研究所湖北武汉430074 美国国家海洋大气局国家环境预报中心

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过... 详细信息

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。

关键词：短期集合预报初值不确定性 AREM模式降水检验

NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述

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大气科学学报 2011年第3期34卷 370-380页

作者：麻巨慧朱跃建王盘兴段明铿南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044 Environmental Modeling Center/NCEP/NOAA Camp Springs MD 20746 USA UCAR Boulder CO 80307 USA

总结了目前最具代表性的3个全球集合预报系统(global ensemble forecast system,GEFS)——美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)和加拿大气象中心(Canadian Meteoro-logical Centre,CMC)建成至今的发展概况。由于计算资源的不断扩展,各中心集合预报系统的模式分辨率、集合成员数也随之增加。同时各中心都在不断地致力于发展和完善初始和模式扰动方法,来更好地估计与初值和模式有关的不确定性,促进预报技巧的提高。其中初始扰动方法从最初的奇异向量法(ECMWF)、增殖向量法(NCEP)和观测扰动法(CMC)更新为现在的集合资料同化—奇异向量法(ECMWF)、重新尺度化集合转换法(NCEP)和集合卡尔曼滤波(CMC)。在估计模式不确定性方面,ECMWF和CMC都修订了各自的随机参数化方案和多参数化方案,NCEP最近也在模式中加入了随机全倾向扰动。为提高全球高影响天气预报的准确率,TIGGE计划(the THORPEX interactive grand global ensemble)的提出增进了国际间对多模式、多中心集合预报的合作研究,北美集合预报系统(North American ensemble forecast system,NAEFS)为建立全球多模式集合预报系统提供了业务框架,这都将有助于未来全球交互式业务预报系统的构建。

关键词：全球集合预报系统初值不确定性模式不确定性多模式和多中心集合预报

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集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究

集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究

作者：叶璐中国气象科学研究院

学位级别：硕士

集合预报初值扰动方法是描述数值模式初始误差不确定性的重要手段,也是目前集合预报研究领域的核心技术。奇异向量法（Singular Vectors,SVs）是国际上广泛应用的初值扰动方法之一,但目前普遍采用分辨率较低的切线性和伴随模式计算获得... 详细信息

集合预报初值扰动方法是描述数值模式初始误差不确定性的重要手段,也是目前集合预报研究领域的核心技术。奇异向量法（Singular Vectors,SVs）是国际上广泛应用的初值扰动方法之一,但目前普遍采用分辨率较低的切线性和伴随模式计算获得奇异向量,对初始误差的多时空尺度特征代表性不足。因此研究多尺度奇异向量初值扰动方法,代表模式初始误差的多尺度特征,有着重要的科学意义和应用价值。本文基于GRAPES-REPS（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System）区域集合预报模式,设计了GRAPES区域集合预报多尺度奇异向量初值扰动计算方案,即利用GRAPES全球奇异向量计算技术,以GRAPES区域集合预报模式积分区域为奇异向量计算目标区,通过计算2.5°分辨率、1.5°分辨率和0.5°分辨率3种空间分辨率的奇异向量,分别获得代表大尺度、天气尺度和中小尺度系统初值误差在相空间中最快增长的初始扰动结构。进一步采用高斯取样技术线性组合法构建了GRAPES区域集合预报的多尺度奇异向量初值扰动结构,并通过尺度化放大因子最终获得初值扰动三维结构。然后对2019年1月19日至1月26日进行了总计8天的多尺度奇异向量初值扰动集合预报试验,对比分析了单一尺度SVs初值扰动法与多尺度SVs初值扰动法的初值扰动结构特征及集合预报效果。进一步将多尺度奇异向量初值扰动法与GRPAES全球集合预报（GEPS）降尺度初值法进行集合预报对比试验。获得如下主要结论:（1）分析多尺度奇异向量特征发现,空间分辨率越高,奇异向量所对应的奇异值越大,误差扰动在相空间中增长得越快,且不同尺度的奇异向量选取的优化时间间隔有所差异;基于总能量模计算的SVs结构可以较好地体现出中国地区中高纬大气在垂直方向上对流层中的斜压不稳定特征;SVs能量模的大值区主要分布在大气对流层,小尺度SV能量模垂直分布较为集中,以动能为主要形式,大尺度SV能量模垂直分布更为分散,且位势能占总能量的大部分。（2）基于多尺度奇异向量构建的GRAPES区域集合预报初值扰动场结构合理,扰动量的大小随时间增长,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在一定程度上描述大尺度以及中小尺度大气运动误差特征,较好地代表了初始场的多尺度不确定信息;从扰动能谱分析来看,多尺度SVs生成的初值扰动较为全面地包含了初始场多个尺度的扰动能量;扰动能谱时间演变特征显示,随着数值模式积分时间的延长,小尺度扰动能量有升尺度传播的趋势。（3）计算了GRAPES-REPS区域集合预报连续试验的集合一致性、连续等级概率评分、离群值等多个集合预报检验评分,结果表明1.5°水平分辨率的SVs初值扰动法在单一尺度SV初值扰动法中预报效果更优,而多尺度SVs初值扰动法明显优于单一尺度SV初值扰动法,也优于GRAPES全球集合预报动力降尺度初值扰动法,不仅可以减少均方根误差和集合预报系统漏报率、提高离散度,还能在一定程度提高降水概率预报技巧。总体而言,基于GRAPES全球奇异向量技术的多尺度奇异向量初值扰动法可以提高GRAPES区域集合预报的预报效果,能为构建一套统一的GRAPES全球和区域集合预报奇异向量扰动方法提供一定的科学依据和应用基础。

关键词： GRAPS全球奇异向量技术 GRAPES区域集合预报多尺度奇异向量多尺度初值扰动初值不确定性