基于集合变换敏感性方法的华南暖区暴雨的观测敏感区研究

For High-Impact Weather (HIW) events, such as the warm-sector heavy rainfall in south China, adaptive mobile observation instruments or vehicles can be deployed to improve analysis quality and forecast accuracy. A major challenge is to identify sensitive areas for deploying the adaptive observations in the hours or days ahead of HIW events. Ensemble Transformation (ET) method has been shown to be a useful approach to provide guidance for adaptive observation deployment. In order to improve the efficiency of ET method, an ET-based sensitivity (ETS) method, which calculates the gradient of forecast error variance reduction in terms of analysis error variance reduction, is proposed to specify regions for possible adaptive observations. ETS is a first order approximation of the ET, but only needs one single calculation of transformation matrix, and increases computation efficiency. In this study, the ETS method is applied to identify the sensitive region of the warm-sector heavy rainfall cases in south China. And the targeting observation strategy, such as the chosen of energy norm/state variables and the form of sensitive region, are designed to fulfill the suddenness of convective meso-scale phenomenon, as well as their complicate dynamical mechanism in warm-sector heavy rainfall system. Additionally, a set of Observation System Simulation Experiments (OSSE) are setup to evaluate the impact of the synthetic observation data over the sensitive regions. The work can enhance the knowledge of the sensitive region study for the meso-scale HIW events, improve the numerical forecasts of the warm-sector heavy rainfall in south China.

华南暖区暴雨是华南地区主要的灾害天气之一，也是预报难点。近年来，越来越多的观测资料，经过资料同化应用进入数值预报模式。在数值预报中，是否存在与华南暖区暴雨系统相对应的观测敏感区？如何确定这些观测敏感区的位置？在观测敏感区增加目标观测资料能否提高华南暖区暴雨的数值预报技巧？本项目瞄准华南暖区暴雨的观测敏感区问题，开展目标观测试验研究，利用集合变换敏感性方法估算华南暖区暴雨天气过程的观测敏感区，通过状态变量、度量标准和敏感区表达形式的组合配置，获取适用于华南暖区暴雨天气过程的目标观测方案，利用观测系统模拟试验验证敏感区的合理性，通过诊断分析给出华南暖区暴雨观测敏感区的天气学意义。研究结果不仅对中尺度高影响天气的敏感区研究有重要的科学意义，也具有提高华南暖区暴雨的数值预报准确率、优化目标观测网布局、减缓暴雨灾害损失的实际应用价值。

数值天气预报在本质上是一个初值问题，模式初值能否准确地描述大气运动状态将决定数值预报的成败。华南暖区暴雨是华南地区主要的灾害天气之一，也是预报难点。近年来，越来越多的观测资料，经过资料同化应用进入数值预报模式。在数值预报中，是否存在与华南暖区暴雨系统相对应的观测敏感区？如何确定这些观测敏感区的位置？在观测敏感区增加目标观测资料能否提高华南暖区暴雨的数值预报技巧？本项目瞄准华南暖区暴雨的观测敏感区问题，开展目标观测试验研究，利用集合变换敏感性方法估算华南暖区暴雨天气过程的观测敏感区，通过状态变量、度量标准和敏感区表达形式的组合配置，获取适用于华南暖区暴雨天气过程的目标观测方案，利用观测系统模拟试验验证敏感区的合理性，通过诊断分析给出华南暖区暴雨观测敏感区的天气学意义。主要研究结果和结论如下：.（1）华南暖区暴雨和华北强降水典型个例对比试验表明：华北强降水个例的观测敏感区主要位于冷涡的东部，华南暖区暴雨个例的观测敏感区则主要位于南海北部。两个个例敏感区中的观测资料均能够提高降水评分。华北强降水个例中敏感区观测资料对降水预报的改进比华南暖区暴雨天气个例的改进明显。.（2）华南暖区暴雨敏感区批量试验结果表明：a、在集合变换敏感性方法给出的观测敏感区与强降水对应的天气系统相关。预报前24小时，观测敏感区主要集中在粤东和南海上空；预报前12小时，南海海面上的观测敏感区减弱，观测敏感区主要集中在粤东的陆地上；b、分析时刻和验证时刻重合时，估算的敏感区和验证区大致重合，这表明敏感区估算较为合理；c、连续32日的批量试验表明，每日的敏感区存在一定的差异，不过总的来说，粤西地区的观测敏感区较少，这说明华南暖区暴雨主要与南海海面和粤东地区的天气系统相关，粤西地区对华南暖区暴雨的影响较少；d、不同目标观测时刻估算的敏感区也有所区别，例如提前12小时的观测敏感区更加接近验证区。