中國夏季定量降水預報的不確定性理論研究

《中國夏季定量降水預報的不確定性理論研究》是依託南京大學，由袁慧玲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：中國夏季定量降水預報的不確定性理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：袁慧玲
• 依託單位：南京大學

項目摘要

由於降水過程的強非線性和複雜的物理動力學特性，定量降水預報的數值模擬存在很大不確定性。本項目基於離散度-可預報性理論框架下的誤差機率分布方法深入研究定量降水預報的不確定性。選取近年中國夏季的局地暴雨個例，基於中國全球集合預報業務系統採用動力降尺度，進行短期集合預報試驗，定量地分析研究初始場、邊界場、物理參數化方案等擾動方法和集合成員個數對定量降水預報不確定性的影響。利用隨機模式，以線性方差訂正方法為基礎，研究改進集合方差所能達到的理論數值與實際訂正方差的差別，找出影響集合方差訂正效果的原因以及集合成員個數對訂正方法的敏感性，並發展適合定量降水預報非線性等特點的集合方差訂正方法和套用到實際的集合預報當中。上述研究預期揭示影響定量降水預報不確定性的重要因素,改進定量降水預報的集合方差,並為設計出更為合理的反應不確定性信息的定量降水預報系統提供理論和實際依據。

結題摘要

定量降水預報的數值模擬存在很大不確定性。本項目從集合天氣預報的角度出發，基於“離散度-可預報性”關係理論框架下的誤差機率分布方法，深入研究定量降水預報的不確定性，系統偏差，以及降水預報的系統偏差訂正理論和技術方法。研究加深了對定量降水預報的不確定性理論的認識和具有業務套用價值。 考慮降水量偏態分布的特點，結合實際降水資料，根據集合平均與集合離散度之間的約束關係，建立了理想降水集合預報隨機理論模型，來研究降水的可預報性關係與誤差分布理論。通過隨機模型的理想和非理想集合預報研究表明，離散度與誤差的機率分布存在較好的對應關係。即使是理想集合預報，集合平均仍會低估極端降水，使用機率預報更加合理。系統偏差影響降水集合平均的命中率，離散度過大導致較大的機率預報誤差。 針對六大世界業務預報中心的TIGGE業務集合預報，包括CMA（中國）、CMC（加拿大）、ECMWF（歐洲中長期預報中心）、UKMO（英國）、美國NCEP和JMA（日本）的2008-2012年北半球夏季降水集合預報做了全面細緻地評估，分析了各預報系統在24小時累積降水預報的優缺點，以及系統主要升級前後性能的變化。業務集合預報的檢驗研究符合理論研究結果，系統偏差和集合離散度對預報技巧有很大影響。例如大的系統偏差會降低預報技巧（CMA熱帶, ECMWF熱帶小雨）。對於欠離散系統，單純地增加離散度可以改善可預報性關係，但不能提高機率預報技巧（CMC）。熱帶的QPF可預報性與中緯度的相比整體較差。區域比濕擾動過大會導致較大的濕偏差（JMA 0-24h預報）。增加模式解析度、改進初值擾動和模式擾動方法有利於提高預報性能（UKMO, NCEP, ECMWF）。 QPF的改進以NCEP的頻率擬合與Kalman濾波相結合方法為基礎，對確定性與集合平均QPF進行訂正。利用NCEP 全球集合預報系統（GEFS） reforecast大數據，考慮降水的局地系統偏差，提出了新的格點頻率擬合和區域頻率擬合訂正方法。開發了“定量降水預報實時訂正系統”, 在國家氣象中心和幾個省級氣象台業務試運行，訂正產品用於國家氣象中心的每日天氣會商。同時，項目針對高解析度的WRF數值模擬產品，進行了中國多個暴雨個例研究。在江淮地區設計了對流尺度WRF集合預報系統，採用多物理參數化擾動和初始擾動方案，最佳化“離散度-可預報性”關係，改善強降水過程的模擬。