随机物理过程和中尺度暴雨集合预报研究

Heavy rain is a result of complex processes including dynamical, thermaldynamical and multi-scale interaction and, therefore, its model forecast and simulation is extremely sensitive to initial condition and physics schemes.In this study stochastic physics approach is proposed within a framework of mesoscale ensemble prediction system to investigate (1) How various types of heavy rain (focusing on those during warm season in Yangtz River valley) are sensitive to different physics schemes; (2) How physics related forecast error grows in model; (3)If stochastic physics approach can correctly convey and quantify forecast uncertainty in heavy rain prediction; and (4) If stochastic physics approach can outperform multi-physics approach in heavy rain ensemble forecasting. Findings from this study will provide theoretical basis for designing effective physics perturbation employed by mesoscale ensemble prediction systems to improve warm season heavy rain forecasts over Yangtz River valley in China.

暴雨是水汽条件、上升运动等多种因素综合作用的结果，各种中尺度条件相互之间在时间、地点上的相遇或错位，使暴雨表现出很强的"机遇"性，在数值模拟和预报中则表现为对模式初值和物理过程方案的敏感。本方案以我国长江流域暖季降水为研究对象，通过研究不同暴雨过程对随机强迫的敏感性，分析随机误差的增长机制和反馈机制，研究其中的不确定性因子，评估不确定性因子的大小，分析扰动技术对不确定性的再现能力以及该过程的可预报性，提出与之对应的扰动方法和技术，以反映真实大气中各种不确定性因子"偶遇"触发暴雨的特点，从而使模式系统能较合理地概括暴雨的不确定性特征，开展随机物理过程方案与多物理过程方案的比较研究。通过本项目，以期揭示造成暴雨时空分布不确定性的物理机制以及发展与之对应的扰动技术，进一步提高我国长江流域暖季降水的预报能力,为发展中尺度暴雨集合预报系统提供理论依据。

暴雨是我国最重要的灾害性天气之一，对其预报一直是我国气象学界的重点和难点，这一方面是我们对暴雨产生机制的认识仍然不够深入，另一方面是没有科学地面对和处理它的可预报性问题。本项目的研究方向针对第二个方面的问题，开展暴雨随机物理过程的集合预报方法研究。. 在有限的研究期限内（1年），重点开展了以下两个方面的研究工作：. （1）开展了在物理方案中引入随机强迫方法的研究，并建立随机扰动系统。实现了在两种物理参数化方案（对流参数化方案Kain-Fritsch eta和YSU边界层参数化方案）中引入两类随机扰动（扰动对流触发项和扰动倾向项）的方法，并对不同扰动放大系数、不同随机扰动设置方式对扰动误差增长的影响进行了研究，结果表明，扰动放大系数可以改变扰动能量的大小，但不会改变扰动能量的增长方式，对流参数化方案的扰动能量是从对流层中层开始发展，然后逐渐向低层和高层发展，单独扰动边界层参数化方案能获得和扰动对流参数化方案相当或略小的降水扰动差异。. （2）针对具体暴雨个例，开展了包含随机物理过程在内的6种扰动方案的集合预报试验，重点分析了不同集合预报方法对暴雨时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等，结果表明，就降水的离散度而言，初值扰动的贡献仍然是第一位的，随机物理过程离散度远远小于初值扰动和多物理方案，随机扰动产生的降水差异主要集中在强降水中心位置，在初值扰动的基础上叠加随机物理扰动，则所产生的综合集合预报结果对最终暴雨预报不确定性的模拟有所改进。它在局部地区可以较大幅度地改变降水量，但对模拟降水位置的不确定性几乎无能为力。但可喜的是，在小尺度上，随机扰动产生的离散度与初值扰动和多物理方法相当，这对风暴尺度的局地强降水预报非常重要。. 随机物理扰动方法作为一种“多个模式和多种物理方案”可能的替代方案，尽管从文献中可以看到一些正面结果的报告（主要是“离散度-预报技巧关系”有所改进）, 但基于我们的研究表明，目前这一方法还并不成熟。总之，以上这些研究成果有助于我们深入认识随机物理扰动方法，进而研发新的、更完善、更有效的随机物理扰动方案，为建立更有效的暴雨集合预报系统奠定了基础。