随机参数化方案及其对全球中期集合预报的影响研究

In recent years, stochastic parameterizations have been widely used in both researches and operations of ensemble forecasts. And the combinations of several stochastic parameterizations show great advantages in model uncertainty representations. So far, the most widely used three stochastic parameterizations in the world are the Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies (SPPT) scheme, the Stochastic Kinetic Energy Backscatter (SKEB) scheme, and the Stochastically Perturbed Parameterizations (SPP) scheme. In China, few studies focused on the impacts of above-mentioned three schemes, especially the SPP scheme, on global medium-range ensemble predictions. Accordingly, in order to improve the performance of a global medium-range ensemble prediction system (GEPS), researches on stochastic parameterizations as well as their impacts on the global medium-range ensemble predictions will be conducted by using the GRAPES_GEPS system, which is independently developed by China Meteorological Administration. First, a GEPS based on the SPPT, SKEB as well as SPP schemes will be built. Then, the impacts of different schemes and their divergent combinations on medium-range ensemble predictions will be evaluated and compared systematically. Finally, the best way to characterize model uncertainties, which are most favorable to increase the ensemble spread and improve probabilistic prediction skills, will be determined. This study could provide theoretical guidance for researches on mesoscale ensemble prediction along with the optimization of operational ensemble prediction systems.

近年来，随机参数化方案已广泛应用于集合预报研究与业务。在体现模式不确定性时，多种随机参数化方案的联合使用展示出强大的优势。目前，国际上应用最为广泛的三种随机参数化方案分别是：随机物理倾向扰动方案（SPPT）、随机动能补偿方案（SKEB）和随机参数扰动方案（SPP）。但是，国内关于上述三种方案尤其是SPP方案对全球中期集合预报的影响研究鲜见报道。因此，为了提高全球中期集合预报系统的预报性能，本项目将基于中国气象局自主研发的GRAPES全球集合预报系统开展随机参数化方案及其对全球中期集合预报的影响研究，在构建基于SPPT、SKEB、SPP三种方案的全球集合预报系统基础上，系统评估不同方案以及多种方案的结合使用对中期集合预报的影响，以及这些影响的异同，进而确定最有助于增加集合离散度、改善概率预报技巧的模式不确定性表征方案。本研究可为今后中尺度集合预报研究以及业务集合预报系统优化提供理论指导。

集合预报是估计数值天气预报不确定性的有效工具。模式误差是导致预报不确定性的重要因素之一，且其来源具有多样性。在一个集合预报系统中，模式不确定性的合理表征尤为重要。以提高全球中期集合预报技巧为目标，从使用随机参数化方案体现模式不确定性的角度出发，开展了三种随机参数化方案及其对全球中期集合预报的影响研究。使用中国气象局GRAPES全球中期集合预报系统（GRAPES_GEPS），针对GRAPES全球模式特征，发展了适用于该模式的随机物理倾向扰动（SPPT）方案、随机动能补偿（SKEB）方案与随机参数扰动（SPP）方案，构建了基于应用最为广泛的三种随机参数化方案的GRAPES_GEPS系统。基于不采用初值扰动的集合预报试验系统考察了上述三种随机参数化方案下扰动结构与扰动能量的发展特征。结果表明，不同随机方案所产生的扰动对预报误差均具有一定的描述能力；扰动总能量最初主要集中在热带地区对流层中高层以及平流层低层，随着预报时效的增加，扰动呈升尺度发展特征，总能量不断增加，其大值区不断向热带外地区转移；针对不同变量物理过程倾向的分析表明不同方案表征的模式不确定性方面具有差异。基于采用初值扰动的集合预报试验分析了SPPT方案、SKEB方案、SPP方案及不同方案的结合使用对CMA_GEPS的影响。不同方案的独立使用均能够显著增加不同等压面要素和地面要素热带地区集合离散度，并在一定程度上减小集合平均误差，提高了GRAPES-GEPS的可靠性；并且有助于减小热带地区连续分级概率预报评分和预报失误率，提高了GRAPES_GEPS的概率预报技巧。不同随机方案的结合使用对GRAPES_GEPS的影响依旧主要集中在热带地区。三种随机参数化方案的结合使用对GRAPES_GEPS的改进效果最好，明显优于任意两种方案的结合使用；就任意两种随机方案的组合而言，包含SKEB方案的组合比不包含SKEB方案的组合的改进效果更优，特别是对于纬向风的改进。此外，不同随机参数化方案及其组合下，中国地区不同量级（小雨、中雨、大雨和暴雨）降水概率预报技巧均在一定程度上得到改善，且在联合使用三种方案时改善效果最佳。以上结果表明，模式不确定性较为全面的表达更有助于集合预报技巧的提高。相关研究成果可为今后中尺度集合预报研究以及业务集合预报系统优化改进提供技术支撑与理论指导。