动力相似预报的策略和方法

摘要

本文基于对数值天气预报和短期气候预测研究的全面回顾，指出发展预报策略和方法研究是除了改善资料和改进模式之外提高预报水平的重要途径，并强调动力预报中对历史相似信息的利用在实现统计-动力有机结合方面的重要价值。 为此，本文在前人研究基础上，紧紧围绕“动力相似预报”这一新框架，沿着“如何在动力预报中有效地运用相似性信息”这一研究主线，在数值预报订正、集合预报、模式后处理技术以及可预报性研究等方面，全面引入相似的观点，提出了创新性的策略和方法，并进行理论分析和数值试验，得到了令人鼓舞的结果，从而证实其具有广泛的研究和应用前景。主要结果和结论如下： (1)从物理上深入研究了“相似预报——低频流型——可预报性”关系，数值试验和诊断分析都证实理论模型和实际大气不同尺度的动力预报结果及其误差行为具有相似性，通过比较和探讨统计和动力相似预报的差别，归纳并提出了三类相似性问题和动力相似预报的物理基础，进而提出动力预报的相似性原理。 (2)提出了利用历史资料中相似信息估计模式误差的反问题和对预报误差进行预报的新思路；依据动力预报的相似性原理，提出和发展了一种统计动力相结合的相似误差订正方法，可针对当前预报特殊性来区分所利用过去资料的特殊性。找到了动力相似预报方程相对于相似离差方程和相似误差订正方程的理论优势所在。提出了误差订正间隔和相似更新周期的新概念。 (3)Lorenz模式的全局预报试验表明，相似更新周期、误差订正间隔和观测样本间隔都对相似误差订正影响很大；相似个数、系统性和随机观测误差也会产生明显影响；误差的简单线性估计算法可很好地代替超平面近似法应用于实际。进一步发展了“重启”的误差诊断新方案。T63模式预报试验显示了不错的改进效果。海温相似性问题可以影响到上述方法的实际预报效果。 (4)针对初始相似的有限持续性问题，并考虑在动力预报中引入多个历史相似信息，提出了基于多个参考态更新的动力相似预报新方法。该方法既可将相似-动力模式或者相似误差订正法分别作为动力预报核，又能在最小二乘意义下将不同参考态的预报结果重新估计出最佳预报向量。利用Lorenz模式和T63模式进行数值试验表明，预报技巧得到明显提高。 (5)按照相似误差订正思路发展了一种模式误差参数化方案，并基于这一方案发展了相似-动力集合预报的新方法，提出将多个动力相似预报的结果由简单算术平均发展为考虑相似性差异的加权集合，以及引入相似更新理念的过程集合新思路。将新的集合方法应用到相似-动力延伸预报中，初步发展了一个相似-动力集合预报试验性系统，实时准业务月预报试验显示出令人鼓舞的结果。 (6)深入探讨了事后相似误差订正方法在月、季短期气候预测中应用的理论问题和误差估计方法，证实了这一尺度上由历史相似预报误差重新估计当前预报误差的可行性。以一个可预报性研究验证了该方法的应用潜力，月平均环流和夏季环流及降水的预报试验都表明，这种后处理方法具备提高预报技巧和恢复预报方差的良好性能。 (7)深入研究历史相似选取中的相似指标定义、相似变量选择、相似度量确定和相似区域范围等问题。提出了海-气系统中的两级相似选取方法和综合相似指标，探讨了演变相似和倾向相似问题，提出了针对谱系数资料的相似指标，分别探讨了相似度量对不同尺度预报以及空间自由度对相似选取和预报的影响问题。发现相似质量和相似误差订正的预报技巧存在显著反相关关系。 (8)基于“相似预报——低频流型——可预报性”关系的紧密性，建立具有少数自由度、综合反映大尺度环流特征的EOF数据集，实施北半球热带外夏季低频流型的分型研究，并进行了与之相关的夏季大尺度低频雨型研究。这样的理论和诊断研究有助于改进相似选取的相关过程。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章模式和资料

第三章 相似性原理与动力相似预报的物理基础

第四章统计-动力相结合的相似误差订正法

第五章相似误差订正法的数值试验

第六章基于多个参考态更新的动力相似预报方法及应用

第七章基于模式误差参数化的相似-动力集合预报方法

第八章 相似误差订正法在短期气候预测中的应用

第九章相似选取的若干问题和大气低频流型相关研究

第十章总结、讨论与展望

参考文献

附录

致谢