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《兰州大学》 2010年
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数值预报产品的检验订正与延伸期预报研究

尚可政  
【摘要】:尽管数值预报模式日趋完善,计算精度不断提高,但是预报值与实际值之间始终存在误差,且随着预报时效的延长,误差增大、准确率下降,这给天气预报带来了一定的困难。目前的中期数值预报产品只发布10天,至于10-30天的延伸期天气预报,从理论到方法,目前都存在很大困难。 为了减小数值模式的预报误差,当前研发的主流途径是不断提高分辨率,更加逼真地描述各种物理过程,走精细化道路,从正面改进模式各个环节来减小模式误差,但进一步提高预报水平的难度越来越大。虽然近年来已有不少研究针对数值产品的订正和应用,并且取得了一定的成效,但这些方法的共同缺陷是,没有充分利用历史资料。而且对于省(地、市)各级气象业务部门,如果遵循主流途径,走精细化道路,不免造成资源和人力的浪费。事实上,历史资料中蕴含着大量对预报有用的信息,这些资料在数值预报中未能充分利用。因此,能否通过对现有数值预报产品,应用历史相似进行订正,改进数值预报精度,并以此为基础延伸期出未来11-30天的预报,这便是本文想要研究的问题。 首先,利用国家气象中心T213 L31数值预报产品,对东亚范围内2003-2008年对流层各等压面的高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场预报进行了检验。结果表明: 1)高度场预报,可信度较高(气候距平相关系数大于0.6,24小时变量相关系数大于0.4)的时效,对流层中上部6-7天,对流层中下部5天,24小时变量相关系数通过α=0.001水平相关显著性检验的时效为10天; 2)温度场预报,可信度较高的时效,对流层中上部4天,对流层中下部5天,24小时变量相关系数通过α=0.001水平相关显著性检验的时效为9天; 3)风场预报,可信度较高的时效,对流层上部5天,对流层中部4天,对流层下部3天,24小时变量相关系数通过α=0.001水平相关显著性检验的时效为8天; 4)垂直速度场预报,可信度较高的时效仅为1-2天,24小时变量相关系数通过α=0.001水平相关显著性检验的时效为5天; 5)水汽场预报,可信度较高的时效,对流层中部2天,对流层下部3-4天,24小时变量相关系数通过α=0.001水平相关显著性检验的时效为6天。 总之,T213 L31数值预报效果,高度场最好、温度场次之、风场和水汽场又次之,垂直速度场最差。可信度高的预报时效分别为5-7天、4-5天、3-5天、2-4天和1-2天。 其次,通过理论分析,将实际大气变化分解为模式大气变化、相似个例变化和随机变化三部分。通过统计回归的方法确定它们在实际大气变化中所占的份额。依照上述想法,提出一套利用历史资料订正T213 L31预报产品的方案。订正方案由初订正和再订正两部分组成。每部分又分基本相似个例选取、各要素场最佳相似个例选取和订正方程建立三步实现。计算表明,利用NCEP历史资料订正T213 L31数值预报产品,相似个例数取50个最佳;订正过程分为初订正和再订正两步,可以更好提取相似个例中的有价值信息。利用2003-2006年T213 L31数值预报产品和1948-2005年的NCEP资料,建立了100-1000hPa等压面的高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场的24-240小时预报的24小时变量订正方程。 采用相关系数、气候距平相关系数、24小时变量相关系数和均方根误差四个指标,对2003-2006年和2007-2008年的T213 L31高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场数值预报产品的回代订正和试应用订正效果进行了检验。结果表明: 1)以相关系数衡量,高度场、温度场、风场和水汽场预报订正效果是有效的,时效越长、订正效果越明显。特别对高度场和风场,层次(?)低,订正效果(?)显著。垂直速度场预报,订正效果不好。 2)以气候距平相关系数衡量,高度场和温度场24-96小时订正后效果是正面的;120-240小时订正后效果是负面的。风场24-48、216-240小时订正后效果是正面的;72-192小时订正后效果是负面的。垂直速度场则相反,时效短、层次低订正后相关系数下降;预报时效长、层次高订正后相关系数增加。水汽场预报订正效果最明显,500hPa以下各层都增加了;500hPa以上各层72-192小时也增加了。 3)以24小时变量相关系数衡量,高度场、温度场、风场和水汽场预报订正效果都是正面,预报时效为96-192小时,订正效果最明显。垂直速度场24-72小时以增加为主。 4)以均方根误差衡量,高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场预报订正效果都是显著的,预报时效越长、订正效果越明显。 5)订正效果存在区域差异。高度场订正效果高纬度显著,低纬度差一些;温度场订正效果低纬度要显著一些;风场订正效果24-96小时青藏高原周围明显一些,120-240高纬度明显一些;垂直速度场订正效果,24-96小时中国南方明显一些;水汽场订正后,中国东部—西太平洋均方根误差减小明显。 6)试应用订正与回代订正结果是一致的,说明订正方案是稳定可靠的。 最后,提出了周期延伸和相似订正相结合进行11-30天延伸期预报的方法,并利用2003-2008年的T213 L31数值预报产品和1948年以来的NCEP资料进行了11-30天延伸期预报试验。采用相关系数、气候距平相关系数、24小时变量相关系数和均方根误差四个指标,对2003-2008年的T213 L31高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场11-30天延伸期预报效果进行了检验。结果表明: 1)以相关系数衡量,11-30天延伸期预报,高度场、温度场、水汽场、风场U分量预报都显著(通过了a=0.001水平的相关显著性检验),风场V分量和垂直速度场预报略差一些(垂直速度场只能是个别层次通过a=0.001水平的相关显著性检验)。高度场和风场U分量预报,高层好,低层差;温度场和水汽场预报,低层好,高层差;风场V分量和垂直速度场预报高层与低层好,中层差。 2)以气候距平相关系数衡量,高度场、温度场、水汽场、风场和垂直速度场预报,大部分层次和预报时次可通过α=0.001水平的相关显著性检验;部分层次和预报时次可通过α=0.05水平的相关显著性检验。 3)以24小时变量相关系数衡量,高度场和温度场11天预报可通过通过α=0.05水平的相关显著性检验,12-30天各时次虽然都不能通过相关显著性检验,但也呈较为明显的正相关。 4)以均方根误差衡量,高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场11-30天延伸期预报随时效延长,误差缓慢增长。 5)应用逐步相似过滤方法对高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场11-30天延伸期预报效果进行了释用检验。结果表明:环渤海地区72个站11-30天日平均温度24小时变温等级预报TS评分的平均值,可达到80%左右(个别站可达到83%)。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P456.7

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