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中尺度强降水天气集合预报技术的研究

谭燕  
【摘要】:我国位于世界上著名的东亚季风区,受其支配的中尺度天气系统的研究一直备受关注,中尺度灾害性天气发生的时间、地点、强度一直是预报的难点。集合预报是国际上最新发展的新一代动力随机预报技术,近年来,基于全球中长期集合预报成功经验之上(Molteni et al.1996, Toth et al.1997, Houtekamer et al.1996),以提高灾害性天气预报准确率为目的的中尺度集合预报已成为一个新的研究热点。一系列的研究都表明:在有限区域模式基础之上建立起来的中尺度集合预报,能够在一定程度上改善短期灾害性天气的预报能力,诸如:风暴、气旋、暴雨和强对流等。目前,在构造中尺度集合预报方面还有一些问题值得深入研究,包括:怎样构造合理的适合有限区域的小扰动,怎样正确反映中尺度模式的不确定性,以及侧边界扰动的问题等等。 本文主要在GRAPES非静力高分辨率中尺度区域模式的基础上,建立起GRAPES中尺度集合预报系统(GRAPES Mesoscalse Ensemble Prediction System,GRAPES-MEPS),主要针对东亚季风区中尺度强降水天气开展研究讨论,其目的是从中尺度过程的角度探索适合大气对流不稳定的集合预报的扰动方法,进一步深入认识这类灾害性天气的可预报性问题。首先展开对GRAPES-MEPS模式不确定性方面的试验研究,考虑不同物理因子的影响、物理过程倾向的影响,不同物理参数化方案的组合;其次对GRAPES-MEPS初始不确定性方面展开试验研究,利用增长模繁殖方法(Breeding of the Growing Mode)来设计初始小扰动;此外还采用了Du(2004)新提出的“混合分辨率”(Hybrid resolution)这一思想设计试验,来考虑模式分辨率对GRAPES-MEPS的影响。针对一些暴雨个例,从以上几个方面开展GRAPES-MEPS试验,并对试验结果制作产品,进行集合检验,最终把GRAPES-MEPS投入了连续试验,结果表明:GRAPES-MEPS系统具有捕捉中尺度天气的能力,可以在一定程度上改善预报效果,为业务系统的建立奠定了基础。以下是本文的主要研究工作和结论: (1)针对我国地处东亚季风区中尺度强降水的特点,在充分考虑短期预报中不确定性来源的同时,在我国新一代中尺度数值预报模式的基础上,建立起包括“初始扰动+模式扰动+集合后处理”为一体的、可操作、可实现的中尺度集合预报试验平台——GRAPES中尺度集合预报系统(GRAPES-MEPS)。 (2)在对GRAPES-MEPS模式不确定性方面的研究中,选取了北京“7.10”暴雨个例,综合比较4组试验,从各个高度层的位势高度场离散度的分析中,发现在北京地区大气中低层出现了一个垂直结构很一致的离散大值区,这说明在本次试验中,这个地区预报的不确定性很大;由不同物理参数化方案组合得到的集合系统的表现优于单一物理方案构造的集合系统,这对以后进一步研究怎样构造中尺度集合是有帮助的。


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