GRAPES区域集合预报模式空间ETKF初始扰动方案的发展与优化

摘要

为改善GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediation System)区域集合预报初始扰动场的质量，准确刻画中小尺度天气系统预报误差结构特征，提高区域集合预报水平，本文在GRAPES区域集合预报等压面ETKF（集合转换卡尔曼滤波）初始扰动方案的基础上，首先引入对流层低层大气运动信息对原方案进行优化，发展建立了与GRAPES m3DVAR系统完全一致的模式空间mETKF初始扰动方案，解决了现有等压面ETKF初始扰动方案与模式空间同化系统不协调的问题，从而更好地改善了集合扰动质量及其随预报时效增长的合理性。试验结果表明，吸收对流层低层大气运动信息后的初始扰动方案，更加合理地反映了低层中小尺度大气运动特征，显著提高了区域集合预报初始场质量。模式空间mETKF初始扰动方案对各模式物理量预报结果均有明显改善，新方案的集合预报性能在一定程度上得到提高。主要研究结论如下:
　　(1)引入低层大气信息的ETKF初始扰动方案，能够合理地捕捉低层中小尺度天气系统的扰动信息、准确地描述中小尺度天气系统预报误差的结构特征;较好地改善了集合离散度，体现了集合预报的不确定性，提供了大气更多可能发生的状态。集合预报的降水预报效果及物理量场的质量得以改善。
　　(2)模式空间mETKF扰动方案的集合预报在预报初始时刻扰动总能量和集合离散度更加合理，捕捉快速增长的分析误差的能力得以提高，更好地表现了预报误差随模式增长的特征。基于集合预报的各类评分优势明显，较高的可辨识度和可信度等均表明改进后的方案一定程度上提高了集合预报性能。
　　(3)模式空间mETKF初始扰动方案与GRAPES同化系统更加协调，有效避免了插值误差，并进一步改善了基于mETKF初始扰动方案的区域集合预报系统的性能，为我国GRAPES-REPS业务预报系统的升级和完善奠定了科学基础。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 集合预报的发展及应用

1．2 集合预报初始扰动的研究

1．3 集合预报偏差订正及释用

1．4 集合预报面临的问题与发展前景

1．5 论文主要内容和创新点

1．5．1 论文研究目的和创新点

1．5．2 论文章节安排

第二章 GRAPES区域集合预报系统

2．1 数值预报模式

2．1．1 GRAPES模式动力框架

2．1．2 GRAPES物理参数化方案

2．2 三维变分同化系统

2．3 GRAPES区域集合预报系统及初始扰动方案

第三章 模式空间ETKF初始扰动方案

3．1 ETKF初始扰动原理

3．2 模式空间扰动方案的构建

3．2．1 ETKF垂直坐标的变换

3．2．2 观测算子的构造

3．2．3 湿度扰动和垂直大气信息的优化

3．2．4 真实资料的引入和观测误差的变化

第四章 低层大气对GRAPES区域集合预报质量的影响

4．1 试验方案设计及资料

4．2 个例试验分析

4．3 批量试验结果分析

4．3．1 集合离散度与均方根误差

4．3．2 Talagrand分布与CRPS评分

4．3．3 集合预报的可辨识度与可信度

4．3．4 异常值(Outliers)评分

4．4 结论与讨论

第五章 mETKF初始扰动方案的批量试验

5．1 mETKF初始扰动的试验方案及资料

5．2 批量试验结果分析

5．2．1 集合扰动特征分析

5．2．2 集合离散度与均方根误差

5．2．3 Talagrand分布与CRPS评分

5．2．4 集合预报的可辨识度与可信度

5．2．5 异常值(Outliers)评分

5．3 结论与讨论

第六章 总结与讨论

6．1 总结

6．2 问题及讨论

参考文献

致谢

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