外强迫因子的不确定性对提高全球中期集合预报系统预报能力影响研究

本项目围绕提高高影响天气预报技巧的科学挑战和社会需求，充分发挥我国作为WMO三个TIGGE气象信息存档中心的优势，利用独立的预报中心分析场资料，研究大气要素和外强迫因子（海温、土壤温度、土壤湿度等）的不确定性特征和相互影响关系,开展数值天气预报的不确定性和集合预报理论研究，探讨大气要素和外强迫因子的集合预报初值扰动和物理过程随机扰动机理,进行外强迫因子扰动对提高中期集合预报系统预报能力影响的研究。在全球中期集合预报系统中增加外强迫因子扰动信息，使集合预报系统充分反映外强迫因子与大气过程之间的相互作用及不确定性信息，并通过集合预报检验技术评估扰动外强迫因子对提升全球中期集合预报技术的重要性。扰动外强迫因子技术研究是集合预报研究的新领域，可增加全球中期集合预报系统离散度，延长可用预报时效，提高集合预报系统对高影响天气事件的预测、预警能力，有效减轻灾害损失，具有十分重要的科学意义和应用价值。

集合预报已经成为当前提高天气预报方法中研究最活跃、效果最显著的领域之一。针对目前集合预报（特别是全球中期集合预报）普遍缺乏外部外强迫（如海温、冰雪、土壤温度、土壤湿度、辐射等）不确定性估计及其影响的现状，项目利用独立的预报中心分析场资料（T213、NCEP和欧洲中心大气和土壤温度、土壤湿度资料），研究大气要素和外强迫因子的不确定性特征和相互影响关系,开展扰动外强迫对提高中期集合预报系统预报能力影响的研究。项目研究表明：数值模式改进分析同化方案，有利于降低分析场不确定性。大气要素的不确定性和土壤变量的不确定性存在明显的关联，不确定性的空间分布表现为低纬度热带地区分析误差较小，随着纬度向南北增加，分析误差逐渐增加，南半球分析场不确定性高于北半球；时间上随着土壤深度增加，土壤温度/土壤湿度的变化周期明显延长，其变化幅度小于大气变量。分别研究大气、海温和土壤温度/湿度扰动技术：研究利用奇异值分解、中心化及数字滤波技术计算正交化斜压增长扰动初值的大气变量集合转置初值扰动技术，解决了集合预报系统初值扰动正交化难题，提高了集合预报系统有效成员和预报可靠性；研究海温初值随机扰动技术（扰动预报时刻海温与前一天海温差异）、土壤温度/湿度增长模初值扰动技术以及土壤温度/湿度模式积分过程中的物理过程随机扰动技术。建立了包含海-陆-气相互作用信息的外强迫-大气全球中期集合预报系统。开发了集合概率预报检验程序。连续平行试验表明扰动外强迫因子可以明显增加集合预报系统的可用预报时效、降低集合平均预报误差，提供系统预报可靠性。说明扰动外强迫因子有助于提高全球中期集合预报系统预报能力，对提高高影响天气事件的预测、预警能力，有效减轻灾害损失，具有十分重要的科学意义和应用价值。基于本基金核心技术已在中国气象局高性能计算机上建立了包含外强迫因子不确定性的全球中期集合预报实时系统，该系统将向国家气候中心提供实时预报产品，为气候中心中期/延伸期预报提供技术和产品支持。