热带气旋强度的可预报性研究

For the past twenty years, despite large improvement in the track forecast of tropical cyclones (TCs), there is almost no improvement in the intensity forecast of TCs. This is because of the fact that there are deficiencies in the forecast models and in the initial conditions that are used to produce the forecasts, and the fact that the forecast models lack sufficient grid spacing. This is also due to the fact that there are inherent uncertainties in deterministic prediction of TC intensity. Focusing on the uncertainties of the initial conditions and the model physics processes and the model resolutions, this project will attempt to investigate the predictability of TC intensity. For different kinds of TCs, impact of model resolution on the intensity forecast of TCs will be examined. Selecting proper model resolution and using the method of initial perturbation and the ensemble of model physics processes, impacts of the uncertainties of the initial conditions and the model cloud microphysics processes on the intensity forecast of TCs will be examined. The sensitive facts and key processes which result in the uncertainty of the intensity forecast of TCs will be looked for. The mechanisms of the sensitive facts and key processes affecting the intensity changes of TCs will also be examined. Based upon the above mentioned examinations and utilizing existing research results, the ensemble schemes will be formed. With proper resolutions, the ensemble schemes aim for the intensity forecast of different kinds of TCs. The ensemble schemes’ forecasts will reduce impacts of the uncertainties of the initial conditions and the model physics processes on the intensity forecast of TCs and will improve the intensity forecast of TCs.

在过去的20多年间，热带气旋路径预报误差大为减小，热带气旋强度预报水平却几乎没有提高。热带气旋强度预报水平难以提高的主要原因在于：预报模式缺乏针对性、模式初始场存在误差、模式分辨率不足以及强度预报的内在不确定性。本项目拟从模式初始场与物理过程的不确定性以及模式分辨率入手，开展热带气旋强度的可预报性研究——针对不同类型的热带气旋，考察模式分辨率对热带气旋强度预报的影响，在此基础上选择合适的分辨率，用初值扰动与模式物理过程的集合方法，考察模式初始场与云微物理过程的不确定性对热带气旋强度预报的影响，寻找导致强度预报不确定的敏感因子与关键过程，研究敏感因子与关键过程影响热带气旋强度变化的机理，在上述研究的基础上并应用已有的研究成果，构造具有合适的分辨率、针对不同类型的热带气旋强度的集合预报方案，使集合结果能减小模式初始场与物理过程的不确定性对热带气旋强度预报的影响，能有效改进热带气旋的强度预报。

本项目从模式初始场与物理过程的不确定性以及模式分辨率入手，开展了热带气旋强度的可预报性研究：考察了模式分辨率对热带气旋强度、结构和降水的影响，用初值扰动的集合预报方法，考察了模式初始场的不确定性对热带气旋强度预报的影响，选择多种模式物理过程参数化方案，考察了模式云微物理过程和行星边界层过程的不确定性对热带气旋强度预报的影响，在此基础上构造集合预报方案，进行了热带气旋强度集合预报的初步试验。.模式水平分辨率对热带气旋强度、结构与降水都有着非常大的影响，随着水平分辨率的提高，热带气旋涡旋结构由松散变得紧密而深厚，眼墙厚度减小，涡旋环流、上升运动、对流活动和暖心强度等增强，使热带气旋强度增强；热带气旋水汽的分布由集中变得分散，伴随着更强的上升运动，热带气旋强降水的分布更为分散，也更接近观测；对于热带气旋强度和降水的预报，要得到与观测较为接近的结果，模式的水平分辨率至少需要达到3km。模式初始场上远小于观测误差的差异能导致热带气旋强度预报的极大不同，热带气旋强度预报的这种不确定性随时间而增大，并在预报24h后随着热带气旋发展的加速而快速增大；热带气旋的对流不稳定、降水以及表面向上的热通量和水汽通量的变化与其强度的变化相似，热带气旋强度与其表面向上的热通量、水汽通量之间存在着强正相关；初始场上导致热带气旋强度预报差异的关键因子为表面和低层的湿度场以及温度场的差异，尤其是低层湿度场的差异，这种差异不仅在于总体大小的差异，还在于分布的差异。模式物理过程的不确定性导致热带气旋预报的不确定性，这种不确定性主要反映在其强度上，进而反映在其结构上，随时间而增大；不同的云微物理方案和行星边界层方案预报的热带气旋强度差异明显，热带气旋强度越强，其涡旋水平尺度越小，涡旋结构越紧密，对流层中、低层的风越大，垂直向上风和气流在低层的流入速度与在高层的流出速度也越大，眼墙厚度和眼墙向外的倾斜度则越小，暖心越暖；云微物理过程的不同导致云中水汽和各种水凝物大小与分布的差异，从而导致降水大小与分布的差异，进而影响热带气旋的强度与结构；行星边界层过程的差异导致边界层高度以及表面向上的热通量和水汽通量的差异，这些差异在导致热带气旋强度和结构的不确定性的过程中都起着重要作用。在上述研究的基础上，选择3km的模式水平分辨率，构造了25个成员的集合预报方案，该方案包含了模式初始场的不确定性、模式物理过程的不确定性以