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《中国科学院研究生院(大气物理研究所)》 2007年
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条件非线性最优扰动在集合预报中的应用

姜智娜  
【摘要】: 本文采用正压准地转模式和T21L3斜压准地转模式,探讨了条件非线性最优扰动方法(CNOP)在中期集合预报中的可能应用。进而在此基础上,针对天气环流转型的预报,研究了特殊的集合扰动产生方法。主要结论如下: 1.在不考虑模式误差的情况下,采用正压准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。 a)奇异向量(SV)和条件非线性最优扰动被用来产生集合预报试验的初始扰动,对14天的预报结果作了比较,发现用条件非线性最优扰动代替第一奇异向量的集合(S2)预报技巧在中期预报范围(6~14天)明显高于奇异向量法(S1)。该结论是在分析误差为快速增长扰动的条件下得到的,即分析误差的非线性发展在预报后期快于奇异向量的非线性发展,不依赖于分析误差的大小。 b)采用相似指数和经验正交函数分析方法解释了以上数值试验的结果。 c)预报技巧和离散度的关系以及Talagrand diagrams分析显示,新方法产生的集合预报的可信度更高。 d)敏感性试验表明,局部CNOP相对全局CNOP而言,在集合预报中可能起着更为重要的作用。 2.采用T21L3斜压准地转模式,从扰动的初始模态及其发展两个方面比较了CNOP与SV的异同,揭示了非线性对可预报性的影响。 a) CNOP与SV类似,也具有范数依赖性。流函数平方范数意义下的CNOP空间尺度最小,能量范数意义下次之,位涡拟能范数意义下空间尺度最大,甚至呈纬向流结构。 b)流函数平方范数或能量范数意义下的SV和CNOP都呈现出局地性的特征。然而,随着初始约束或优化时间间隔的增大,相对SV而言,CNOP的局地性减弱。在某些情况下,波列结构甚至存在于北半球的整个纬圈方向。 c)个例研究表明,在能量范数意义下,当SV在某一优化时间还没有促进纬向流向阻塞流转型的时候,CNOP可能导致了阻塞的爆发。这表明,在大尺度环流转型的研究中非线性过程起着非常重要的作用。 3.在不考虑模式误差的情况下,采用T21L3准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。 a)用异常相关系数(ACC)评估了北半球500百帕位势高度场的预报技巧。结果表明,如果大气环流本身的可预报性差,例如在预报中期范围有天气环流转型的发生,此时,CNOP方法相对SV方法能够提高预报技巧。 b)在集合扰动的建立过程中,局部CNOP相对全局CNOP而言可能起着更为重要的作用。 4.利用阻塞指数的定义,采用非线性优化技术研究了非线性框架下激发阻塞爆发的最优扰动,为天气环流转型的预报提供了特殊的集合扰动。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(大气物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P456

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