数值模式延伸期可预报分量提取及预报技术研究

【摘要】：10-30天延伸期预报对防灾减灾工作有着重要意义,对保障国民经济发展起着重要作用。目前世界各国对延伸期预报还处于探索阶段,开展的延伸期预报业务水平有待于进一步提高。由于大气可预报性限制,国外数值预报模式虽然在十天以内的预报能力大大提高,但是十天以上则收效甚微。 本文基于新的理念和新的方法进行延伸期预报的探索。在已有的国家气候中心月动力延伸预报模式的基础上,根据提取可预报分量的原理,从数值模式预报变量误差增长的角度出发,发展了在实际大气模式中提取可预报分量的方法。初步建立了基于可预报分量的10-30天延伸期预报模式,进行了历史回报的检验,显示了一定的业务应用前景。同时文中建立的可预报分量模式,以现有业务预报模式为基础,无需重新编写描述大气动力方程组的程序,具有比较好的可移植性。本文的研究主要得到以下结论： (1)提出了在数值模式中提取可预报分量的实用方法。 通过建立数值模式初值场和预报场之间的非线性映射关系,对其中的误差增长算子采用直接切线性近似,依此研究了预报误差增长速度的差异。将一定预报时间范围内,预报误差增长较慢方向的分量定义为可预报分量,其余的分量定义为混沌分量。从可预报分量解释方差的角度介绍了可预报度的定义,利用Lorenz模式及其切线和伴随模式,初步考察了误差增长算子的特征值随时间的演变规律,研究了预报误差不同增长方向对预报时效的影响。 (2)借鉴了CNOP的相关算法,形成了提取可预报分量的免伴随快速算法。 在模式积分过程中,将初始场和预报场之间构建合理的目标函数,采用优化算法逐步提取数值模式积分过程中可预报分量基底,避免了编写伴随模式的浩大工程,减小了计算量。并利用Lorenz模式考察了算法的有效性,对可预报分量进行了初步预报试验,发现可预报分量模式比原始模式具有更长的可预报时效。 (3)以T63L16模式为基础,建立了可预报分量模式。 利用免伴随快速算法,在复杂模式中实现了对可预报分量的提取,阐明了建立可预报分量模式的具体操作流程。通过对历史个例进行回报,比较了不同层高度场及不同区域范围的模式预报效果,验证了可预报分量模式可以提高10-30天延伸期预报水平。 (4)发展了基于历史资料改进可预报分量模式的相似误差订正技术。 在可预报分量基底上,将历史资料分离为可预报分量和混沌分量。对模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,消除了对初值扰动敏感的快变分量的影响,使得相似初始场在模式积分中可以提供有效的预报误差信息。在建立的延伸期可预报分量模式中进行了相似误差订正试验,发现对可预报分量在积分过程中进行订正,可以有效地提高模式的预报水平。 (5)对混沌分量采用概率论方法进行集合平均预报。 将选取的可预报分量历史相似场在可预报分量模式中进行积分,结合预报时刻的实况资料,可以得到相似初始条件下的混沌分量,利用这些历史资料中的混沌分量,从最有可能的概率的角度给出了混沌分量的统计预报值。