基于集合卡尔曼变换（ETKF）理论的适应性观测研究与应用

摘要

适应性观测是近几年国际上提出的一种有效改善中短期天气预报质量的新思想，是国际THORPEX科学计划的核心内容，也是当前国际数值预报领域研究的前沿热点问题。无论是适应性观测理论，还是针对高影响天气系统的观测试验，我国都处于初步阶段。为积极参加国际THORPEX科学计划，提升我国适应性观测研究的科学水平，改善高影响天气预报质量，本文对适应性观测相关科学问题开展了研究。 本研究主要针对我国典型性高影响天气系统特征，借鉴与吸收国际最新适应性观测研究成果，根据集合卡尔曼变换(ETKF)理论，研究发展了ETKF适应性观测系统与基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统。利用GRAPES全球集合预报和国际TIGGE集合预报资料，针对我国台风和江淮强降水高影响天气，研究了ETKF信号方差的结构特征，揭示了信号方差(目标观测区)与集合数、预报时间长度、气象物理量之间的关系及其对不同集合预报的依赖性，并着重研究了适应性观测对我国典型性高影响天气预报的影响及其目标观测区的分布特征。论文的创新之处与主要科学结论有如下几个方面： (1)发展建立了ETKF适应性观测系统根据ETKF理论，结合GRAPES 3DVar资料同化系统，发展建立了适用于我国高影响天气系统的ETKF适应性观测系统。选择能够准确反映预报不确定性的总能量构造信号方差，作为识别目标观测区的度量变量。ETKF适应性观测系统具有较强的预报信号方差的能力，可以合理的识别出目标观测区。 (2)目标观测区结构特征及其与影响因素的关系集合成员数对中低纬度热带气旋的目标观测区预报的准确性具有明显的影响，大于37个集合成员识别的目标观测区比较准确。目标观测区的结构与可靠性随预报长度的不同也存在变化，对不同集合预报具有较强的依赖性，表明集合预报质量对ETKF适应性观测具有重要的作用。 (3)我国台风预报的适应性观测研究研究表明，西太平洋热带台风的目标观测主要位于台风中心北侧引导气流区。目标观测并不能确保改善所有的分析误差，对不同层次、不同物理量的改善程度也存在差别，同时也可能降低分析质量。对位势高度与温度的分析误差和预报误差具有明显的改善作用，对不同层次的风场预报的影响不完全相同。对台风路径和中心强度的前24h预报误差具有明显的改善，其后的改善效果并不显著。目标观测资料对路径预报优于对台风强度预报的改善效果。 (4)适应性观测在江淮强降水预报中的应用研究江淮强降水天气系统的目标观测敏感区基本位于引起强降水的低涡系统的槽前位置。目标观测对分析和预报均表现出改善效果，但也存在局部质量降低的情形。不同的分析变量和层次，其改善或降低的效果也不完全相同。对预报的改善主要体现在对流层中低层的部分预报变量，尤其是位势高度的改善作用最为明显。目标观测对降水预报的落区和强降水中心具有一定的改善作用，但并没有明显改善强降水预报的量级。 (5)发展了基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统GRAPES集合初始扰动在北半球可以反映出分析误差方差的主要特征结构，扰动大小合理，并能具有合理的集合离散度，但南半球扰动效果并不理想；扰动增长与预报误差的增长特征基本一致，集合方差可以正确地解释更多的预报误差方差：集合预报能够合理的表示出实际大气可能的发展状态。基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统显示出良好的发展潜力与应用价值。 本研究工作首先建立了我国具有科研与业务应用能力的ETKF适应性观测系统，对我国积极从事国际适应性观测研究合作和开展我国的适应性观测试验提供了系统平台。本工作对我国高影响天气系统目标观测的科学问题有了初步理解，为将来持续研究奠定了基础。同时，也为改善我国高影响天气预报质量提供了有效途径和积极的探索。GRAPES全球集合预报系统也为我国全球业务集合预报的发展提供了新方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1适应性观测研究的科学意义与必要性

1.2适应性观测研究的回顾

1.2.1适应性观测问题的提出

1.2.2适应性观测外场试验

1.2.3适应性观测的影响

1.2.4我国适应性观测研究

1.3适应性观测方法

1.3.1适应性观测方法的发展

1.3.2奇异向量方法

1.3.3集合卡尔曼变换(ETKF)方法

1.4集合初始扰动的研究

1.5适应性观测研究的发展

1.6适应性观测研究存在的问题

1.7论文的研究目的与创新点

1.8论文主要内容

第二章适应性观测策略与集合卡尔曼变换理论

2.1引言

2.2适应性观测策略

2.3集合卡尔曼变换(ETKF)理论公式

2.4集合卡尔曼变换方法的特点

2.5基于ETKF目标方法的问题

2.6本章小结

第三章基于集合卡尔曼变换理论的适应性观测系统的发展

3.1引言

3.2 ETKF适应性观测系统方案

3.3观测变量及其误差设置

3.4预报误差减小的度量

3.5目标观测的顺序处理问题

3.6信号方差综合图

3.7初步试验分析

3.7.1目标观测区的识别

3.7.2不同观测配置的信号方差

3.7.3信号方差的时间演变

3.8本章小结与讨论

第四章适应性观测实施方案与目标区结构特征的影响研究

4.1引言

4.2适应性观测实施方案

4.3集合预报资料与试验设计

4.3.1集合预报资料

4.3.2试验设计

4.4集合成员数对目标观测区的影响

4.4.1信号方差综合图分析

4.4.2信号方差的定量比较

4.5集合预报长度对信号方差的影响

4.6目标观测区与气象物理量的关系

4.7信号方差对集合预报类型的依赖

4.8验证区选取问题的讨论

4.9本章小结与讨论

第五章适应性观测在我国台风预报中的应用研究

5.1引言

5.2试验资料与方案

5.2.1集合预报与目标观测资料

5.2.2观测系统模拟试验方案

5.2.3数值预报模式与资料同化系统

5.2.4目标观测试验方案

5.3“圣帕”台风概况

5.4目标区的识别

5.5目标观测资料对分析误差的影响

5.6适应性观测对台风预报的影响

5.6.1验证区预报误差的改善

5.6.2目标观测对台风路径预报的影响

5.6.3对台风中心强度预报的影响

5.7本章小结

第六章适应性观测对江淮强降水预报的影响

6.1引言

6.2试验资料与方案设计

6.2.1 TIGGE集合预报及目标观测资料

6.2.2目标观测试验方案设计

6.3江淮强降水目标观测区的识别

6.4目标观测对同化分析的影响

6.4.1分析增量

6.4.2分析误差的影响

6.5适应性观测对预报的影响

6.5.1验证时刻的预报误差

6.5.2验证区预报误差分析

6.5.3验证区降水预报的改善

6.6本章小结

第七章基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统的研究与发展

7.1引言

7.2 ETKF初始扰动方法

7.3集合预报试验设置

7.3.1模拟观测资料

7.3.2初始扰动的构造

7.4集合初始扰动分析

7.4.1观测对集合离散度的影响

7.4.2集合扰动的方差分布

7.4.3集合扰动增长特征

7.4.4集合扰动与预报误差相关分析

7.5集合预报质量检验分析

7.5.1副热带高压预报个例分析

7.5.2全球500hPa高度场异常相关统计检验

7.6本章小结与讨论

第八章总结与讨论

8.1主要研究结论

8.2特色与创新之处

8.3问题讨论与研究展望

8.3.1有待研究的问题

8.3.2研究展望

参考文献

致谢