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基于TIGGE资料的地面风矢量可预报性研究

彭翼  
【摘要】:风的预报和人们的生产生活具有十分紧密的联系,污染物的传输和扩散、大风导致的对交通建筑及电力设备的破坏、台风导致的重大灾害、乃至化石燃料燃烧导致的空气污染所引发对清洁能源的需求都加强了人类社会对于风矢量预报的需求。集合预报是有效开展地面风预报的方法之一。目前,国内外利用集合预报,特别是THORPEX计划下的TIGGE数据集,主要针对环流、降水或者温度等气象要素开展了一系列可预报性的研究,然而对地面风的研究相对较少。鉴于此,本文以TIGGE资料集里中国气象局(CMA) T213集合预报系统提供的2009-2013年地面风的0-240h、逐24h间隔的预报产品为代表,利用秩相关系数和MVL图等技术,讨论了地面风矢量的可预报性及其预报误差的线性/非线性特征,并在此基础上建立了适合地面风的集合预报后处理方法,得到了以下主要结论:1、纬向风速、经向风速、全风速、风向、1000 hPa位势高度场的预报误差在24h间隔内存在显著的相关性。一般而言,预报误差大的成员在其后24h的预报误差也较大。这种相关性能维持到120h的预报间隔,但是随着预报间隔的增加会迅速减弱,预报误差在120h间隔以上不存在明显的相关。分季节来看,在相同的预报时效间隔内,夏秋两个季节的预报误差的相关性要强于春冬两季。以上结果表明,前期不同成员预报的优劣特征可以用来作为权重来提高后期集合平均的预报水平。2、年际尺度,纬向风速、经向风速在120h时效左右扰动均值和扰动方差存在线性特征,全风速在240h时效内均存在线性特征,位势高度在48h时效内存在线性特征。季节尺度,除全风速在冬季240h时效内存在线性特征外,纬向风速、经向风速、全风速均在120h左右呈现出线性特征,位势高度除春季不存在线性区间外,其余季节线性区间均为48h。上述四大气象要素的扰动均值均随着预报时效的增加而不断增加,除位势高度外,增加的幅度越来越小。以上结果表明,短期内四大气象要素的扰动均值和扰动方差存在线性特征。3、纬向风速、经向风速、全风速在年际尺度,偏最小二乘回归(PLS)较集合平均(均值法)精确度提高程度先升后降,在48h达到峰值,随着预报时效的增加,PLS法和均值法精确度均下降。季节尺度,120h预报时效内,PLS法和均值法的预报误差从大到小分别为秋夏春冬,在120h时次之后,季节特征开始模糊。PLS回归相比于均值法对夏季的预报效果的提高程度最大,基本在240h时效内均有提高,对秋季提高程度最小,对春冬在前120h提高较大。4、1000 hPa位势高度场在年际尺度,PLS法和均值法的预报误差随着预报时效的增加而不断增加,PLS回归方法仅在前48h较均值法更优。季节尺度,无论是哪种预报方法,夏季的预报效果最好,冬季次之,预报效果随着预报时效的增加而不断变差。PLS回归方法较均值法在春季精确度提高的程度最多,夏秋冬三季PLS回归基本只在48h预报时效之内有提高。年际和季节尺度,精度提高比例折线图均显示出与MVL图相同的趋势,表明扰动方差V(t)对预报精度提高的影响很大。最后针对以上结论,本文建立了适用于地面风矢量的集合预报后处理方法,即:对纬向风速、径向风速、全风速,春、秋、冬三季,在120h的短时效内用PLS回归进行预报,在120h时效以后直接使用集合平均值作为预报值;纬向风速、径向风速、全风速,在夏季240h时效内均用PLS回归;对1000hPa位势高度场,四个季节在48h的短时效内用PLS回归进行预报,在48h时效以后直接使用集合平均值作为预报值。


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