ETKF-CNOP目标观测方法及其在台风预报研究中应用的探索

基于集合转换卡尔曼滤波（ETKF）方法无法考虑初始误差非线性发展，条件非线性最优扰动（CNOP）方法没有考虑背景误差对预报误差的影响，为了更进一步提高台风预报技巧，扬长避短，本项目探讨建立一种新的ETKF-CNOP相结合的目标观测方法，并采用MM5模式，对多个台风个例用ETKF-CNOP相结合的目标观测方法确定敏感区。通过比较ETKF，CNOP和ETKF-CNOP相结合的目标观测方法确定的敏感区对台风预报的影响，评判ETKF-CNOP相结合的目标观测方法在改进台风预报中的有效性。分析影响台风预报的主要动力、物理因子，确定表征非线性作用在初始扰动发展中的动力、物理过程，揭示ETKF-CNOP相结合的目标观测方法确定的敏感区的物理本质。

自2001年集合转换卡尔曼滤波（ETKF）方法提出以来，ETKF方法被广泛应用于大西洋和太平洋上针对台风、温带气旋和冬季风暴的各种外场试验中。由于其计算代价小，能够估计背景、预报误差协方差，并能定量地给出在任何区域、任何手段的观测对预报技巧的影响，ETKF在目标观测领域发挥了重要的作用。相对而言，条件非线性最优扰动（CNOP）方法虽然未在外场试验中得到应用，但其具有坚实的理论基础，即从初始误差的发展角度考察初始误差对预报误差的影响。上述两种方法各有优势，也有局限性，项目拟将上述两种方法的优势相结合、扬长避短，形成更优的目标观测方法。通过反复试验，将ETKF方法对背景误差方差的这一估计，作为计算CNOP时对每一个格点的初始误差的约束。即：针对不同的物理变量（水平风场、温度场、垂直速度、比湿），以该格点ETKF估计的相应物理变量的背景误差正、负一个标准差作为初始误差约束的上、下限（即所谓矩形约束），避免了之前计算CNOP时将所有格点的误差以能量范数进行统一约束（即所谓球约束）。这种情况下确定的敏感区，既考虑了当前背景下的可能误差分布（即避免了不切实际的初始误差大小、分布），又保留了初始误差发展这一动力基础。.运用上述方法对数个个例计算目标观测敏感区，发现计算得到的敏感区与之前CNOP方法确定的敏感区有较大区别，而是比较接近ETKF敏感区。说明在进行目标观测敏感区确定时，实际的背景误差结构对敏感区的确定有重要的影响，这表明用背景误差方差作为约束条件计算得到的初始误差结构更接近真实情况，不会出现不切实际的数值与结构。在此基础上，以简单的均方根误差作为标准对ETKF-CNOP确定的敏感区的有效性进行的验证，试验结果表明：在ETKF-CNOP方法确定的敏感区内进行目标观测较CNOP方法更能改善台风预报技巧。为进一步考察影响台风移动路径和强度变化的主要动力、物理因子时，针对MM5模式控制方程，定量分析气压梯度力项、平流项和科氏力项等各物理项在导致预报时段内对预报误差的作用。几个个例的研究发现：气压梯度力项是区别线性作用和非线性作用的重要原因。