具有三维尺度调整结构的高分辨率区域集合预报混合初值扰动方法研究

Ensemble forecasting is a necessary tool to improve high-impact weather forecasts due to their less predictable nature of small and mesoscale weather systems. A new initial condition perturbation scheme will be investigated in this study. Since an Ensemble Kalman Filter (EnKF) based data assimilation technique can provide best analysis and Ensemble Transform (ET) technique can generate fast-growing perturbations, the new IC perturbation scheme will take advantages of the both by combining EnKF and ET methods within the GRAPES model. At the same time, through a digital filter, small-scale (from regional model ensemble) and large-scale (from global model ensemble) perturbations will be blended to create a multi-scale perturbation structure. Finally, a total-energy based 3-dimentional (3-D) masking will be used to have a more realistic 3-D structure of IC perturbation. Through the above three steps, the new IC perturbation scheme is expected to improve high-impact weather forecasts in a high-resolution ensemble prediction system. Therefore, the proposed research is meaningful both scientifically and practically.

中小尺度灾害性天气过程非线性强、预报难度大，区域集合预报是提高其预报准确率的重要方法之一。基于区域GRAPES模式，引进集合卡尔曼滤波（EnKF）同化系统，研究集合转换（ET）算法在区域高分辨率模式中产生预报误差快速增长的扰动初值方法，发展EnKF和ET混合初值扰动方法新模型。克服目前区域集合预报采用动力降尺度方法描述初始误差概率密度函数分布的不足，研究通过数字滤波技术将全球集合预报大尺度扰动与区域集合预报小尺度扰动有机融合，构造包含多尺度扰动信息的扰动初值。为避免集合预报普遍采用一维/二维尺度调整因子调整集合扰动振幅的方式引发的虚假震荡，设计采用扰动总能量作为三维尺度调整因子，构造更合理的三维大气分析场误差结构。以上三部分工作涉及到高分辨区域集合预报初值扰动的产生、融合和调整，是区域集合预报初值扰动方法的新探索，为提高中小尺度灾害性天气预报能力提供支持，具有重要科学意义和业务应用价值。

针对中小尺度灾害性天气过程非线性强、多尺度相互作用等特点，以课题研究目标和研究内容为基础，以提高高分辨率区域集合预报初值扰动技术为目标，通过开放合作，结合国家气象中心业务预报需求，基于中国气象局自主研发的区域GRAPES模式，通过四年攻关，在高分辨区域集合预报基础研究和业务应用方面均取得显著进展。成果可以归结为一种区域模式初始误差概率密度函数表征方法、两种资料分析方法、两种三维初始不确定性求取方法、两种物理过程扰动方法、参与两个国家级集合预报业务系统建设、发展三种高分辨集合预报系统构建方法和构建一套对流尺度高分辨集合预报原型系统。具体包括：研究通过数字滤波技术将全球集合预报提供的大尺度扰动和区域集合预报提供中小尺度扰动混合的方法，为高分辨率区域集合预报提供不同尺度大气运动初始误差概率密度函数的分布信息；研究了通过资料同化技术提高集合预报初始分析场性能，进而提高集合预报能力的方法，包括EnKF同化方案和三维变分同化方案；研究利用两种不同来源分析资料，通过计算扰动动能求取地理掩模以及通过NMC方法反映区域GRAPES模式初始不确定性的表征方式，并以此为基础建立具有三维尺度调整结构的高分辨率区域集合预报初始扰动方法；发展和应用了多物理方案组合方法和物理过程随机扰动方法两种模式扰动方法；发展了集合三维变分分析方案、ETKF多尺度混合初值扰动技术方案和具有三维尺度调整扰动结构的高分辨率区域集合预报系统构建方法；建立了对流尺度集合预报试验系统，成为发展国家级高分辨率集合预报业务系统的原型系统；开展了地表变量不确定性对全球及区域集合预报影响研究以及使用尺度化时间滞后方法和动力降尺度方法构造区域集合预报侧边界扰动影响的研究、GRAPES区域模式偏差特征研究等。项目在高分辨区域集合预报初始概率密度函数分布特征、多尺度扰动发展变化过程、不同相空间扰动发展调整方法等集合预报基础理论和技术方面进行了有益的探讨，项目部分技术方法成功地应用于国家气象中心全球集合预报（全球奇异向量方法)和区域集合预报(混合尺度扰动方法）业务预报系统，成为集合预报前沿基础理论研究和业务应用有机结合的典范。