發(fā)布時間：2020-10-29 18:19

　　 本文從多尺度的角度探討了對流尺度集合預(yù)報(Convection-allowing ensemble forecast system, CAEFs)中初始擾動(Initial condition perturbation, ICP)與側(cè)邊界擾動(Lateral boundary perturbation, LBP)的方法問題,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并針對兩次不同的暴雨天氣過程展開研究。研究主要包括4部分,首先,采用NCEP全球集合預(yù)報系統(tǒng)(GEFs)提供的分析擾動作為大尺度的基擾動,并采用集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法(Ensemble transform kalman filter, ETKF)對基擾動進行更新,在更新循環(huán)過程當(dāng)中采用GEFs的大尺度分析擾動作為LBP,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)報系統(tǒng)；隨后,通過個例分析研究了側(cè)邊界處擾動不匹配對CAEFs的影響,進而對比研究了ETKF和基于聚類平均法的動力降尺度(Dynamical downscaling, DOWN)構(gòu)造擾動的多尺度機制,分析了ETKF擾動結(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例當(dāng)中對比了ETKF和DOWN的多尺度發(fā)展特征,探討了CAEFs中ICP與LBP的相互作用機制,及對降水預(yù)報的影響；最后在前文的基礎(chǔ)上,提出多尺度混合初始擾動的最終設(shè)計方案。得到以下主要結(jié)論：1.采用ETKF方案并在循環(huán)過程中加入由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4 km區(qū)域更新循環(huán)得到,大尺度不確定性通過循環(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)邊界處即會激發(fā)出虛假重力波；在大尺度強迫顯著的北京“7.21”特大暴雨個例中,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擾動存在尺度結(jié)構(gòu)不合理的問題,提取ETKF中能夠快速增長的中小尺度擾動信息,并與來自于側(cè)邊界的大尺度擾動相結(jié)合得到新的ICP,不僅優(yōu)化了ETKF擾動的大尺度結(jié)構(gòu),而且緩解了側(cè)邊界處擾動不匹配的問題,從預(yù)報技巧來看,優(yōu)化后的方案較ETKF有效提高了“7.21”暴雨過程中鋒面降水階段的預(yù)報技巧。2.在大尺度強迫顯著的個例1中,以大尺度擾動信息為主的DOWN增長趨勢較ETKF更為顯著,且總擾動能量在預(yù)報中后期超過ETKF,而在大尺度強迫相對較弱的個例2中,ETKF的擾動能量始終高于DOWN。此外,當(dāng)大尺度強迫顯著時,ICP與LBP相匹配會產(chǎn)生相互促進的作用,而不匹配時ICP會在預(yù)報中后期抑制LBP的發(fā)展,而大尺度強迫較弱時,即使是互相間不匹配的ICP與LBP也能在大部分預(yù)報時段起到相互促進的作用,說明ICP與LBP的相互作用機制不僅與天氣形勢相關(guān),也與二者是否匹配掛鉤,另一方面,擾動的發(fā)展特征同樣依賴于天氣形勢；從集合離散度的角度來看,當(dāng)大尺度強迫明顯的時候,LBP的作用會在更短的時間內(nèi)取代ICP,從而對離散度起到主導(dǎo)地位；兩種初始擾動方法相比,ETKF在多數(shù)情況下對總離散度的貢獻均大于DOWN;從定量降水預(yù)報及概率預(yù)報情況來看,大尺度強迫明顯的個例可預(yù)報性更高且各集合成員間的差異較小,大尺度強迫較弱的個例則相反,且當(dāng)兩種ICP與LBP相結(jié)合時,較僅擾動側(cè)邊界時均有一定提高。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)并與GEFs中結(jié)構(gòu)合理的大尺度擾動信息通過離散余弦轉(zhuǎn)換(DCT)進行第一次混合,從而使LBP中既包含GEFs的大尺度信息同時包含24 km區(qū)域包含分析不確定性的中尺度信息,進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(SSETKF),檢驗結(jié)果表明新方案在各尺度上均獲得了最佳的預(yù)報技巧評分。目前對流尺度集合預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)在全球均處于較為初步的階段,本文的研究結(jié)果不僅對對流尺度集合預(yù)報的初始及側(cè)邊界擾動方法的認(rèn)識有重要的理論意義,同時也為未來業(yè)務(wù)中開發(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 國內(nèi)外研究進展
        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 初始擾動與側(cè)邊界擾動的關(guān)聯(lián)
    1.3 本文擬研究的問題和各章節(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方案簡介
    2.1 WRF模式簡介
    2.2 集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方案簡介
    2.3 動力降尺度方案簡介
第三章 集合預(yù)報產(chǎn)品與檢驗評價方法
    3.1 集合預(yù)報產(chǎn)品
        3.1.1 集合平均預(yù)報
        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)技巧評分（dFSS）
        3.1.5 面條圖與郵票圖
    3.2 集合平均預(yù)報檢驗方法
        3.2.1 均方根誤差（RMSE）
        3.2.2 擾動—誤差相關(guān)檢驗（PAC）
    3.3 集合概率預(yù)報檢驗方法
        3.3.1 連續(xù)分級概率評分（CRPS）
        3.3.2 布萊爾技巧評分（BSS）
    3.4 小結(jié)
第四章 側(cè)邊界處擾動不匹配特征及基于ETKF的初始擾動優(yōu)化方案
    4.1 個例簡介及側(cè)邊界處擾動不匹配特征初探
        4.1.1 北京“7.21”特大暴雨簡介
        4.1.2 控制試驗方案設(shè)計
        4.1.3 WRF-ETKF框架設(shè)計與側(cè)邊界處擾動不匹配影響初探
    4.2 基于ETKF的初始擾動結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案
        4.2.1 方法簡介
        4.2.2 混合區(qū)間的選取準(zhǔn)則
        4.2.3 預(yù)報結(jié)果檢驗
    4.3 小結(jié)
第五章 不同大尺度強迫條件下的集合預(yù)報試驗對比研究
    5.1 個例的分類依據(jù)
    5.2 不同大尺度強迫條件下初始擾動與側(cè)邊界擾動的相互作用機制
        5.2.1 初始擾動與側(cè)邊界擾動共同作用下擾動能量的多尺度特征
        5.2.2 初始擾動與側(cè)邊界擾動不匹配時二者的相互作用機制
        5.2.3 初始擾動與側(cè)邊界擾動匹配時二者的相互作用機制
    5.3 初始擾動與側(cè)邊界擾動相互作用下集合離散度的特征
        5.3.1 初始擾動對集合離散度的影響
        5.3.2 側(cè)邊界擾動對集合離散度的影響
        5.3.3 初始擾動與側(cè)邊界擾動對集合離散度的相對影響
    5.4 降水預(yù)報結(jié)果分析
        5.4.1 初始擾動對降水量預(yù)報的影響
        5.4.2 初始擾動對降水概率預(yù)報的影響
    5.5 小結(jié)
第六章 側(cè)邊界擾動方案的再設(shè)計與多尺度混合初值擾動方案
    6.1 側(cè)邊界擾動方案的再設(shè)計
        6.1.1 試驗方案設(shè)計
        6.1.2 試驗結(jié)果分析
    6.2 多尺度混合初值擾動方法的構(gòu)建
        6.2.1 試驗方案設(shè)計
        6.2.2 試驗結(jié)果分析—非降水要素
        6.2.3 試驗結(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)新點與研究價值
    7.3 研究展望
附錄 中英文縮寫對照表
參考文獻
致謝
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本文編號：2861279