对流尺度集合预报不确定性的多尺度特征及其相互作用关系研究

With the theory of predictability, this study based on GRAPES firstly selects the appropriate perturbation methods for initial, lateral boundary and model uncertainty respectively; and discusses the different spatial-temporal characteristics of uncertainties from different sources, as well as the different impacts on the convective-scale ensemble prediction system (CSEPS) by sensitive analysis; then explores both the process and mechanism of multi-scale interactions among these uncertainties deeply. This study intends to interpret the interactions among the multi-scale uncertainties in the CSEPS, to provide some basic theory for constructing the CSEPS that have a reasonable representation of forecast uncertainty at convective scales for operational use.

本研究根据可预报性理论，基于GRAPES模式，首先分别针对初值、侧边界与模式不确定性挑选出较为合适的扰动方法；再通过敏感性分析探讨不同来源不确定性的不同时空尺度特征，以及在对流尺度集合预报系统中的不同作用；并在此基础上对这些不确定性之间的多尺度相互作用过程与机制进行了深入探讨。本研究力求揭示对流尺度集合预报系统中多尺度不确定性的相互作用关系，为在业务上构建合理代表对流尺度预报不确定性的对流尺度集合预报系统提供理论基础。

目前还没有专门针对对流尺度集合预报(CPEPS)的扰动方法，对于不同来源不确定性在CPEPS中的多尺度相互作用特征更是鲜有讨论。本研究旨在通过集合预报敏感性试验，考察不同来源不确定性的多尺度特征及其相互作用关系，寻求改进集合扰动方法的途径，为更合理构建业务应用的CPEPS提供指导。.首先，采用混合方法形成初值、侧边界与物理扰动，并构建了针对华南地区的试验性CPEPS（GM-CPEPS）。其次，基于GM-CPEPS,对初值、侧边界与物理分别进行单独扰动，以及对这三种扰动进行不同的两两组合，通过对比试验讨论了不同来源不确定性相互作用对集合扰动时空演变特征与集合预报效果的影响。.本研究有5点发现：(1) GM-CPEPS仍不能完美地预报中α与中β尺度降水的不确定性，提高相应尺度降水预报不确定性的刻画能力十分重要。(2)考虑多来源不确定性有利于提高集合预报确定性与概率性技巧，并更好刻画降水预报不确定性，而初值与物理不确定性都具有比侧边界不确定性更大的影响，初值与物理不确定性相互作用能有效提高集合扰动效果。因此，改进初值与物理扰动技术是改进GM-CPEPS降水预报性能的重要途径。(3)单纯的物理与侧边界扰动都不足以刻画中α尺度降水预报不确定性，并且它们与初值扰动的相互作用并不能明显提高集合扰动，甚至非线性相互作用还导致集合扰动减小。因此，寻求具有较好的中α尺度降水扰动增长特性的初值扰动技术尤为重要。(4)对于中β尺度降水预报不确定性的刻画，单纯物理扰动在后期有较好效果，而初值与物理扰动相互作用在前期有较好效果。因此，寻求更好地发挥初值与物理各自在刻画中β尺度降水扰动方面优势的耦合扰动技术很重要。(5)在中α（中β）尺度，初值与物理扰动的相互作用是线性（非线性）的。中β尺度的非线性相互作用在有利于降水发生的区域更显著，这导致相应区域多变量的中β尺度扰动的非线性演变，并最终影响全尺度降水扰动的非线性演变。这指出了开发初值与物理耦合扰动技术的方向，即提高对降水相关变量的中β尺度扰动非线性演变特性的刻画能力。