發(fā)布時(shí)間：2020-10-29 18:19

　　 本文從多尺度的角度探討了對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)(Convection-allowing ensemble forecast system, CAEFs)中初始擾動(dòng)(Initial condition perturbation, ICP)與側(cè)邊界擾動(dòng)(Lateral boundary perturbation, LBP)的方法問(wèn)題,采用WRF模式構(gòu)造內(nèi)外區(qū)域分別為4 km、24 km水平分辨率的CAEFs并針對(duì)兩次不同的暴雨天氣過(guò)程展開(kāi)研究。研究主要包括4部分,首先,采用NCEP全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GEFs)提供的分析擾動(dòng)作為大尺度的基擾動(dòng),并采用集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法(Ensemble transform kalman filter, ETKF)對(duì)基擾動(dòng)進(jìn)行更新,在更新循環(huán)過(guò)程當(dāng)中采用GEFs的大尺度分析擾動(dòng)作為L(zhǎng)BP,意在使最終的ICP中包含足夠的大尺度信息,從而構(gòu)建WRF-ETKF更新預(yù)報(bào)系統(tǒng)；隨后,通過(guò)個(gè)例分析研究了側(cè)邊界處擾動(dòng)不匹配對(duì)CAEFs的影響,進(jìn)而對(duì)比研究了ETKF和基于聚類平均法的動(dòng)力降尺度(Dynamical downscaling, DOWN)構(gòu)造擾動(dòng)的多尺度機(jī)制,分析了ETKF擾動(dòng)結(jié)構(gòu)方面的不足并提出了優(yōu)化方案；接著,在不同類型的兩次暴雨個(gè)例當(dāng)中對(duì)比了ETKF和DOWN的多尺度發(fā)展特征,探討了CAEFs中ICP與LBP的相互作用機(jī)制,及對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響；最后在前文的基礎(chǔ)上,提出多尺度混合初始擾動(dòng)的最終設(shè)計(jì)方案。得到以下主要結(jié)論：1.采用ETKF方案并在循環(huán)過(guò)程中加入由GEFs提供的大尺度LBP最終獲得的ICP可包含多尺度不確定性(中小尺度不確定性通過(guò)4 km區(qū)域更新循環(huán)得到,大尺度不確定性通過(guò)循環(huán)中的LBP得到),但卻不能滿足于LBP相匹配,模式在積分1 min側(cè)邊界處即會(huì)激發(fā)出虛假重力波；在大尺度強(qiáng)迫顯著的北京“7.21”特大暴雨個(gè)例中,基于Haar小波分解研究了ETKF和DOWN的多尺度發(fā)展特征,發(fā)現(xiàn)前文構(gòu)造的ETKF擾動(dòng)存在尺度結(jié)構(gòu)不合理的問(wèn)題,提取ETKF中能夠快速增長(zhǎng)的中小尺度擾動(dòng)信息,并與來(lái)自于側(cè)邊界的大尺度擾動(dòng)相結(jié)合得到新的ICP,不僅優(yōu)化了ETKF擾動(dòng)的大尺度結(jié)構(gòu),而且緩解了側(cè)邊界處擾動(dòng)不匹配的問(wèn)題,從預(yù)報(bào)技巧來(lái)看,優(yōu)化后的方案較ETKF有效提高了“7.21”暴雨過(guò)程中鋒面降水階段的預(yù)報(bào)技巧。2.在大尺度強(qiáng)迫顯著的個(gè)例1中,以大尺度擾動(dòng)信息為主的DOWN增長(zhǎng)趨勢(shì)較ETKF更為顯著,且總擾動(dòng)能量在預(yù)報(bào)中后期超過(guò)ETKF,而在大尺度強(qiáng)迫相對(duì)較弱的個(gè)例2中,ETKF的擾動(dòng)能量始終高于DOWN。此外,當(dāng)大尺度強(qiáng)迫顯著時(shí),ICP與LBP相匹配會(huì)產(chǎn)生相互促進(jìn)的作用,而不匹配時(shí)ICP會(huì)在預(yù)報(bào)中后期抑制LBP的發(fā)展,而大尺度強(qiáng)迫較弱時(shí),即使是互相間不匹配的ICP與LBP也能在大部分預(yù)報(bào)時(shí)段起到相互促進(jìn)的作用,說(shuō)明ICP與LBP的相互作用機(jī)制不僅與天氣形勢(shì)相關(guān),也與二者是否匹配掛鉤,另一方面,擾動(dòng)的發(fā)展特征同樣依賴于天氣形勢(shì)；從集合離散度的角度來(lái)看,當(dāng)大尺度強(qiáng)迫明顯的時(shí)候,LBP的作用會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)取代ICP,從而對(duì)離散度起到主導(dǎo)地位；兩種初始擾動(dòng)方法相比,ETKF在多數(shù)情況下對(duì)總離散度的貢獻(xiàn)均大于DOWN;從定量降水預(yù)報(bào)及概率預(yù)報(bào)情況來(lái)看,大尺度強(qiáng)迫明顯的個(gè)例可預(yù)報(bào)性更高且各集合成員間的差異較小,大尺度強(qiáng)迫較弱的個(gè)例則相反,且當(dāng)兩種ICP與LBP相結(jié)合時(shí),較僅擾動(dòng)側(cè)邊界時(shí)均有一定提高。3.基于上述研究結(jié)論,將“混合(Blending)"的理念融入LBP的構(gòu)造當(dāng)中,在24km水平分辨率的區(qū)域采用ETKF方案構(gòu)造ICP(作為4 km區(qū)域的側(cè)邊界擾動(dòng))并與GEFs中結(jié)構(gòu)合理的大尺度擾動(dòng)信息通過(guò)離散余弦轉(zhuǎn)換(DCT)進(jìn)行第一次混合,從而使LBP中既包含GEFs的大尺度信息同時(shí)包含24 km區(qū)域包含分析不確定性的中尺度信息,進(jìn)而再將包含中尺度與大尺度信息的LBP與4 km區(qū)域的ICP進(jìn)行第二次混合從而得到包含更為全面的多尺度混合初始擾動(dòng)(SSETKF),檢驗(yàn)結(jié)果表明新方案在各尺度上均獲得了最佳的預(yù)報(bào)技巧評(píng)分。目前對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在全球均處于較為初步的階段,本文的研究結(jié)果不僅對(duì)對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)的初始及側(cè)邊界擾動(dòng)方法的認(rèn)識(shí)有重要的理論意義,同時(shí)也為未來(lái)業(yè)務(wù)中開(kāi)發(fā)該類系統(tǒng)提供了一定的依據(jù)。
【學(xué)位單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：P456.7
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 選題背景及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
        1.2.1 初始條件的不確定性
        1.2.2 側(cè)邊界及下墊面條件的不確定性
        1.2.3 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)的關(guān)聯(lián)
    1.3 本文擬研究的問(wèn)題和各章節(jié)主要內(nèi)容
        1.3.1 擬研究的內(nèi)容
        1.3.2 各章節(jié)主要內(nèi)容
第二章 WRF模式及兩種常用的初始擾動(dòng)方案簡(jiǎn)介
    2.1 WRF模式簡(jiǎn)介
    2.2 集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方案簡(jiǎn)介
    2.3 動(dòng)力降尺度方案簡(jiǎn)介
第三章 集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品與檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法
    3.1 集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品
        3.1.1 集合平均預(yù)報(bào)
        3.1.2 集合離散度（SPREAD）
        3.1.3 集合離散度的衍生—標(biāo)準(zhǔn)化方差偏差（NVD）
        3.1.4 集合離散度的衍生—離散分區(qū)技巧評(píng)分（dFSS）
        3.1.5 面條圖與郵票圖
    3.2 集合平均預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法
        3.2.1 均方根誤差（RMSE）
        3.2.2 擾動(dòng)—誤差相關(guān)檢驗(yàn)（PAC）
    3.3 集合概率預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法
        3.3.1 連續(xù)分級(jí)概率評(píng)分（CRPS）
        3.3.2 布萊爾技巧評(píng)分（BSS）
    3.4 小結(jié)
第四章 側(cè)邊界處擾動(dòng)不匹配特征及基于ETKF的初始擾動(dòng)優(yōu)化方案
    4.1 個(gè)例簡(jiǎn)介及側(cè)邊界處擾動(dòng)不匹配特征初探
        4.1.1 北京“7.21”特大暴雨簡(jiǎn)介
        4.1.2 控制試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
        4.1.3 WRF-ETKF框架設(shè)計(jì)與側(cè)邊界處擾動(dòng)不匹配影響初探
    4.2 基于ETKF的初始擾動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
        4.2.1 方法簡(jiǎn)介
        4.2.2 混合區(qū)間的選取準(zhǔn)則
        4.2.3 預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)
    4.3 小結(jié)
第五章 不同大尺度強(qiáng)迫條件下的集合預(yù)報(bào)試驗(yàn)對(duì)比研究
    5.1 個(gè)例的分類依據(jù)
    5.2 不同大尺度強(qiáng)迫條件下初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)的相互作用機(jī)制
        5.2.1 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)共同作用下擾動(dòng)能量的多尺度特征
        5.2.2 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)不匹配時(shí)二者的相互作用機(jī)制
        5.2.3 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)匹配時(shí)二者的相互作用機(jī)制
    5.3 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)相互作用下集合離散度的特征
        5.3.1 初始擾動(dòng)對(duì)集合離散度的影響
        5.3.2 側(cè)邊界擾動(dòng)對(duì)集合離散度的影響
        5.3.3 初始擾動(dòng)與側(cè)邊界擾動(dòng)對(duì)集合離散度的相對(duì)影響
    5.4 降水預(yù)報(bào)結(jié)果分析
        5.4.1 初始擾動(dòng)對(duì)降水量預(yù)報(bào)的影響
        5.4.2 初始擾動(dòng)對(duì)降水概率預(yù)報(bào)的影響
    5.5 小結(jié)
第六章 側(cè)邊界擾動(dòng)方案的再設(shè)計(jì)與多尺度混合初值擾動(dòng)方案
    6.1 側(cè)邊界擾動(dòng)方案的再設(shè)計(jì)
        6.1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
        6.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
    6.2 多尺度混合初值擾動(dòng)方法的構(gòu)建
        6.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
        6.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析—非降水要素
        6.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析—降水
    6.3 小結(jié)
第七章 結(jié)論與討論
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新點(diǎn)與研究?jī)r(jià)值
    7.3 研究展望
附錄 中英文縮寫對(duì)照表
參考文獻(xiàn)
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)介


本文編號(hào)：2861279