短期天气集合预报陆面过程扰动技术研究

In short-range numerical weather prediction (NWP), the land surface process has major influence on planetary boundary layer structure, low level hydro-thermo-dynamics and local meso-scale circulation. The inevitable errors in land surface process can grow nonlinearly through the interaction between atmosphere and land surface, and cause forecast uncertainties. Most present short-range ensemble forecasts (SREF) researches represent these uncertainties by perturbing sensitive parameters, such as soil moisture and land use, but neglect the uncertainties from land surface parameterization errors. To solve this problem, this project will, based on WRF ARW model, research the statistic features of the spatial-temporal distribution of the land surface flux (sensible and latent heat flux) errors in short-range NWP for summer seasons in northern China region, and design a land surface flux perturbation method to fully represent the land surface process uncertainties, and improve the quality of the near-surface, low-level atmosphere and local meso-scale circulation forecasts in SREF, and improve the skills of forecasts of heat wave and heavy rainfall events.

短期天气数值预报中，陆面过程对大气边界层结构、低层大气水汽、热力条件、以及局地中小尺度环流有重要影响。陆面过程中各种不可避免的误差在陆气非线性相互作用下会引起短期天气预报的不确定性。目前短期天气集合预报陆面过程扰动研究主要通过扰动土壤状态初值及某些敏感性参数来构建集合陆面过程，忽视了陆面方案误差引起的预报不确定性。针对该问题，本项目将基于WRF ARW模式，研究我国北方地区夏季短期天气数值预报中陆气通量（陆面感热、潜热通量）误差时空分布的统计特征，并设计相应的陆气通量扰动方法来构建集合陆面过程，以更全面的反映陆面过程不确定性，改善短期集合预报对近地面变量、低层大气和中小尺度对流系统的预报质量及对高温、暴雨天气过程的预报技巧。

现阶段，大部分集合预报都存在集合离散度不足的情况，特别是在近地面变量和定量降水预报中。其可能原因之一，是缺少了对下垫面过程不确定性的反映。针对这一问题，本项目进行了两方面的研究：首先，定量分析了陆面过程不确定性对短时集合预报的影响；然后，设计了一套新的混合陆面过程扰动方案。.第一部分：使用NCEP FNL、ECMWF ERA-Interim、NASA GLDAS NOAH、MOSAIC、CLM五套土壤状态资料构建了短时集合预报试验，进行了2个月的连续预报试验，量化分析了土壤状态扰动对集合离散度、集合预报技巧的影响，为后续研究确定合理土壤扰动幅度提供了理论依据。研究结果表明，土壤状态初值扰动对短时集合预报底层至低层大气（800 hPa以下）的集合离散度和集合平均预报误差有较显著影响。土壤初值扰动产生的24小时定量降水预报集合离散度与扰动微物理参数化方案的效果接近，只在少数极强降水过程中，略小于微物理方案扰动的效果。同时，结果表明我国北方地区的降水量预报与土壤湿度初值有较明显的正相关。.通过使用NCEP FNL、ECMWF ERA-Interim、NASA GLDAS CLM三套土壤状态资料，USGS、MODIS两套土地利用资料，扰动了陆气耦合强度，并耦合了GEFS大气变量扰动，构建了10成员的集合预报，进行了10天的连续试验。与另一组使用繁殖向量方法扰动土壤状态的集合预报相比，混合扰动方案引入了不同资料的气候态，考虑了物理方案中的系统性偏差，其近地面变量集合平均预报误差更小、集合离散度更高，全面优于现阶段较为常用的繁殖向量方法。.以上研究定量分析了我国北方地区陆面过程不确定性对短时预报的影响，并提出了一种新的集合预报陆面过程扰动方法，对改进集合预报在低层大气的集合离散度和预报技巧有重要意义。