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IAU台风初始化方案的多变量调整及其对模式预报倾向的影响研究

IAU台风初始化方案的多变量调整及其对模式预报倾向的影响研究

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作者：张韶晶广东海洋大学

学位级别：硕士

目前业务区域台风模式初始场主要来自全球模式分析场或者预报场,而全球模式通常仅仅依靠资料同化技术来调整模式背景场。当背景场中出现台风位置或强度偏差时,单纯的资料同化对于背景场的订正能力存在不足,会在一定程度上导致区域模式... 详细信息

目前业务区域台风模式初始场主要来自全球模式分析场或者预报场,而全球模式通常仅仅依靠资料同化技术来调整模式背景场。当背景场中出现台风位置或强度偏差时,单纯的资料同化对于背景场的订正能力存在不足,会在一定程度上导致区域模式初始场出现比较明显的强度或位置偏差,这严重限制了区域模式对于强台风预报性能,因此,在区域模式中通过台风初始化对初始涡旋的位置和强度偏差进行订正是非常有必要的。如何根据有限的观测信息构建具有较好平衡性的初始台风结构一直是台风初始化的一个难点和热点问题。基于分析增量更新(Incremental Analysis Updates,IAU)技术的台风初始化方案可以在完整模式的约束下将台风位置和强度订正到与实况相接近的水平,这有助于改善区域模式的台风预报效果。然而,之前的IAU台风初始化在初始时刻仅仅对风场进行订正,其余变量主要在逐步更新过程中借助于模式自身的动力和物理倾向反馈进行调整。这种单变量调整的缺陷在于模式需要经过较长的时间窗(3-6 h)才能适应模式风场调整引起的强迫,这一方面限制了利用逐小时台风观测信息进行高频快速更新的可能性,同时也使得初始时刻风场调整信息在长时间窗积分过程中被过度耗散。鉴于此,本研究在风场单变量调整的基础上开展多变量调整研究,目的在于使IAU台风初始化方案可以在更短的时间窗内实现初值平衡。首先通过梯度风平衡关系由风场调整量对气压场进行更新,然后基于静力平衡关系进一步对温度场进行订正,最后在保持相对湿度不变的情况下由订正后的温度场计算水汽调整量。基于2017年第13号台风“天鸽”开展的一系列IAU台风初始化试验结果表明:多变量调整使得初始时刻各变量的调整信息更加充分的被模式吸收,台风路径和强度的调整效果能够更加持久且稳定;多变量调整可以将IAU初始化方案的松弛时间缩短至1 h,较短的调整时间可以保留更多的短波调整信息,从而获得更加精细的初始台风结构特征。多变量调整的改进效果还得到了批量试验结果的支持。IAU台风初始化方案的核心特色在于它将台风初值误差订正问题转变为模式预报偏差的订正问题,因此可以从模式预报倾向的角度对多变量调整的具体影响机制加以解释。本研究针对南海台风模式(Tropical Regional Atmospheric Model System for the South China Sea,TRAMS)开发了一个模式预报倾向诊断工具,并通过一些典型天气过程验证了该诊断工具的合理性。在此基础上,利用倾向诊断工具展示了IAU初始化过程中模式预报倾向的时间演变过程,并初步分析了多变量调整初始化方案对于模式倾向预报的影响。本研究不仅改善了IAU台风初始化方案的应用效果,同时也深化了台风初始化对预报结果影响的理论认识,为下一步开展四维台风初始化以及台风卫星资料同化研究奠定了技术和理论基础。

关键词：台风初始化多变量调整分析增量更新预报倾向初始化诊断

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