风暴尺度集合预报扰动方法研究

It is well known that the chaotic nature in atmosphere dynamics and imperfect numerical models contribute intrinsically to the rapid growth of small errors in initial condition of any numerical weather prediction model as the forecast evolves.. As the scales of spatial and temporal become small, the predictability of a single deterministic system reduces. Therefore, ensemble forecast is considered as the effective tool to solve these problems by expressing uncertainties in initial condition, boundary condition and model physics. Recently, the application of ensemble forecast in storm-scale systems is increasingly focused on by more and more scientists in the world. In order to develop an initial perturbation scheme in the storm-scale ensemble system, the project will use the numerical simulation, analysis and diagnosis method to study the problem of boundary conditions, physical processes perturbation and sensitivity factor for storm-scale ensemble systems. In addition, the project will also develop the initial perturbation method based on data assimilation and mixed ensemble method of transformation, and generate the rapid-growth initial perturbations and physics perturbations in conservation of energy, depending upon the real-time developing storm systems. What’s more, the project will study the sub-grid independent perturbation method and build a new random physical perturbation scheme, which meets conservation of energy in model physics schemes. The above scheme can be used for the boundary ensemble system. In summary, the project has important scientific significance not only for initial perturbation scheme in the storm-scale ensemble system, but also for building the storm-scale ensemble systems.

大气混沌特性和不完美模式使初始微小误差快速增长并最终限制可预报性，随系统时空尺度的减小，单一确定性预报的可预报性减小，因此将集合预报方法应用在风暴尺度系统上已成为国际研究热点。本项目针对风暴尺度集合预报扰动方法问题，采用数值模拟、诊断分析和理论研究相结合的方法，系统研究风暴尺度集合预报的初始条件、边界条件和物理过程扰动方法，针对风暴发展的敏感因子，研究自适应选择扰动变量的方法；发展基于集合资料同化和混合集合变换法的初始扰动方法，旨在构造在对流系统中能够快速增长且包含多尺度扰动信息的初始扰动结构，对比分析两种扰动方法的优劣，研究提出综合扰动方法；探讨对次网格独立物理过程进行倾向扰动的方法，构造新型随机物理扰动方案，使其能适用于边界层集合，并满足扰动前后模式物理方案能量守恒。研究结果不仅对风暴尺度集合预报扰动方法的认识有重要的科学意义，而且对风暴尺度集合预报系统的构建有实际应用价值。

灾害性风暴尺度天气系统非线性强、湿过程复杂、发展迅速，因此对初值和模式误差极其敏感，预报不确定性很大。目前国际上公认解决此预报不确定性的有效手段是集合预报。受限于计算条件等因素，国内外对于风暴尺度集合预报的研究起步较晚，目前尚处于较为初步的阶段。因此，本项目针对风暴尺度集合预报扰动方法问题，综合结合数值模拟、诊断分析和理论研究相结合的方法，系统性地研究了风暴尺度集合预报的初值与模式物理扰动方法，重点完成了以下三方面的研究内容：（1）发展了基于集合资料同化和多尺度混合初值扰动技术的初值扰动方法；（2）探讨了模式变量对影响风暴系统关键因子的敏感性，由此选择合适的扰动变量；（3）构造新型的随机物理扰动方法，用于有效表征风暴尺度天气模拟过程中的模式不确定性。最终在上述三点研究的基础上集成构建风暴尺度集合预报系统。项目实施至今，已造就了一批风暴尺度集合预报研究与应用的青年学术带头人和青年学子，其中博士毕业生6名，硕士毕业生19名；相关的研究结果共发表论文46篇，其中被SCI(E)收录15篇，不仅对风暴尺度集合预报扰动方法的认知具有重要科学意义，而且对风暴尺度集合预报系统的构建有着实际应用价值，为进一步开展相关预报预警工作提供了有力的科学支撑。