中国夏季定量降水预报的不确定性理论研究

由于降水过程的强非线性和复杂的物理动力学特性，定量降水预报的数值模拟存在很大不确定性。本项目基于"离散度-可预报性"理论框架下的误差概率分布方法深入研究定量降水预报的不确定性。选取近年中国夏季的局地暴雨个例，基于中国全球集合预报业务系统采用动力降尺度，进行短期集合预报试验，定量地分析研究初始场、边界场、物理参数化方案等扰动方法和集合成员个数对定量降水预报不确定性的影响。利用随机模式，以线性方差订正方法为基础，研究改进集合方差所能达到的理论数值与实际订正方差的差别，找出影响集合方差订正效果的原因以及集合成员个数对订正方法的敏感性，并发展适合定量降水预报非线性等特点的集合方差订正方法和应用到实际的集合预报当中。上述研究预期揭示影响定量降水预报不确定性的重要因素,改进定量降水预报的集合方差,并为设计出更为合理的反应不确定性信息的定量降水预报系统提供理论和实际依据。

定量降水预报的数值模拟存在很大不确定性。本项目从集合天气预报的角度出发，基于“离散度-可预报性”关系理论框架下的误差概率分布方法，深入研究定量降水预报的不确定性，系统偏差，以及降水预报的系统偏差订正理论和技术方法。研究加深了对定量降水预报的不确定性理论的认识和具有业务应用价值。.考虑降水量偏态分布的特点，结合实际降水资料，根据集合平均与集合离散度之间的约束关系，建立了理想降水集合预报随机理论模型，来研究降水的可预报性关系与误差分布理论。通过随机模型的理想和非理想集合预报研究表明，离散度与误差的概率分布存在较好的对应关系。即使是理想集合预报，集合平均仍会低估极端降水，使用概率预报更加合理。系统偏差影响降水集合平均的命中率，离散度过大导致较大的概率预报误差。.针对六大世界业务预报中心的TIGGE业务集合预报，包括CMA(中国）、CMC（加拿大）、ECMWF（欧洲中长期预报中心）、UKMO（英国）、美国NCEP和JMA（日本）的2008-2012年北半球夏季降水集合预报做了全面细致地评估，分析了各预报系统在24小时累积降水预报的优缺点，以及系统主要升级前后性能的变化。业务集合预报的检验研究符合理论研究结果，系统偏差和集合离散度对预报技巧有很大影响。例如大的系统偏差会降低预报技巧（CMA热带, ECMWF热带小雨）。对于欠离散系统，单纯地增加离散度可以改善可预报性关系，但不能提高概率预报技巧（CMC）。热带的QPF可预报性与中纬度的相比整体较差。区域比湿扰动过大会导致较大的湿偏差（JMA 0-24h预报）。增加模式分辨率、改进初值扰动和模式扰动方法有利于提高预报性能（UKMO, NCEP, ECMWF）。.QPF的改进以NCEP的频率拟合与Kalman滤波相结合方法为基础，对确定性与集合平均QPF进行订正。利用NCEP 全球集合预报系统（GEFS） reforecast大数据，考虑降水的局地系统偏差，提出了新的格点频率拟合和区域频率拟合订正方法。开发了“定量降水预报实时订正系统”, 在国家气象中心和几个省级气象台业务试运行，订正产品用于国家气象中心的每日天气会商。同时，项目针对高分辨率的WRF数值模拟产品，进行了中国多个暴雨个例研究。在江淮地区设计了对流尺度WRF集合预报系统，采用多物理参数化扰动和初始扰动方案，优化“离散度-可预报性”关系，改善强降水过程的模拟。