【摘要】：雖然數(shù)值預報水平不斷提高,但由于不完美的初值條件和模式中物理參數(shù)化過程對大氣運動的不精確描述,使得目前的數(shù)值預報結果仍然存在明顯的預報誤差。本文將預報誤差分為系統(tǒng)性誤差和非系統(tǒng)性誤差兩部分,在對預報進行系統(tǒng)誤差訂正的基礎上,利用變分方法從以下兩個方面對非系統(tǒng)性誤差進行估算及訂正研究：(1)基于非系統(tǒng)性誤差的流依賴特點,通過變分方法建立非系統(tǒng)性誤差與狀態(tài)變量之間的映射關系(簡稱DEM方法),據(jù)此來估計非系統(tǒng)性誤差,并對預報做出訂正；(2)根據(jù)預報誤差在時間上的延續(xù)性,通過變分方法建立某時刻非系統(tǒng)性誤差與其前一時刻的非系統(tǒng)性誤差問的映射關系(簡稱TEM方法),從而估算出該時刻非系統(tǒng)性誤差并對預報做出訂正。本文還提出,可以通過“相似樣本,,來建立上述映射關系(這里簡稱為SEM方法),期望獲得更穩(wěn)定的結果。為此提出一種新的判斷大氣要素場相似度的方法——相似面積比方法。以美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)提供的FNL(Final Operational Global Analysis)分析資料作為評判預報誤差的依據(jù),根據(jù)2002-2010年1月和7月GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)模式500hPa高度場24小時和48小時回報資料,對其在東亞地區(qū)預報誤差的空間特征進行了初步分析,在此基礎上,應用上述方法進行了非系統(tǒng)性誤差的估計及預報訂正試驗,主要結論如下：(1) GRAPES的24小時和48小時形勢預報存在明顯的系統(tǒng)性誤差,它具有一定的季節(jié)性和地域性。相對于FNL分析場,冬季GRAPES模式預報值在20°N以北,120°E以西地區(qū)偏大,最大偏差出現(xiàn)在青藏高原東北側；夏季GRAPES模式500hPa高度預報場在40°N以南地區(qū)偏低,尤其是青藏高原地區(qū)。這反映了GRAPES模式對大尺度地形地區(qū)的動力熱力過程描寫可能存在缺陷。(2) 非系統(tǒng)性預報誤差具有明顯的流依賴的特征,隨著季節(jié)和天氣狀態(tài)的變化而變化。不論是冬季還是夏季,24小時非系統(tǒng)性預報誤差占總預報誤差的比例達50%以上,48小時非系統(tǒng)性誤差占總預報誤差的比例達45%以上,反映出訂正非系統(tǒng)誤差的重要性和必要性。(3) 對2008-2010年1月和7月500hPa高度場的24小時非系統(tǒng)性誤差估算的結果表明,DEM方法對非系統(tǒng)性誤差有一定的估算能力,根據(jù)其估算的預報誤差可以對預報做出有效訂正。對183個檢驗樣本,該方法估算的大部分樣本的非系統(tǒng)性誤差的空間結構特征與真實值較為一致,但估計值比真實值要小。對系統(tǒng)性誤差的訂正可以使168個樣本的預報得到改善,作非系統(tǒng)性誤差訂正后,有127樣本的預報得到一定的改善。經(jīng)過系統(tǒng)和非系統(tǒng)誤差兩步訂正后,預報訂正的有效率從91.8%提高到96.7%。(4) 針對現(xiàn)有常用大氣狀態(tài)相似性判據(jù)存在的問題,本文提出一種新的相似性度量方法——相似面積比方法。利用2001-2011年11年冬季00時氣象要素場資料進行的相似個例選取試驗表明：相比海明距離和相關系數(shù)兩種相似性度量,相似面積比方法具有一定的優(yōu)越性。利用65年500hPa的月平均溫度資料序列進行上述三種相似性度量方法的相似預報試驗結果表明：相似面積比方法最好,海明距離方法的結果略差于相似面積比,相關系數(shù)較差。(5) 利用相似面積比方法從2002-2010年6-8月除檢驗樣本外的其他樣本中選取相似樣本建立預報誤差和預報狀態(tài)的映射關系,對2008-2010年的7月500hPa高度場48小時非系統(tǒng)性預報誤差進行訂正試驗,對93個檢驗樣本的試驗結果表明SEM方法和DEM方法都對非系統(tǒng)性誤差有一定的估算能力。系統(tǒng)性誤差訂正使得90個樣本預報得到改善,DEM方法和SEM方法估算的非系統(tǒng)誤差訂正分別使得62和57個樣本預報得到進一步改善。2008年和2010年的試驗結果表明SEM方法的結果好于DEM方法,但2009年的試驗結果則反映DEM方法比SEM方法的結果好。這在一定程度上反映出SEM方法的不穩(wěn)定性,可能和相似樣本的選取有關。(6) 利用TEM方法對2008-2010年1月和7月500hPa高度場的24小時和48小時非系統(tǒng)性誤差進行估算,并和SEM和TEM的結果進行對比分析,試驗結果表明TEM方法對非系統(tǒng)性誤差有較好的估算能力,能在系統(tǒng)誤差訂正的基礎上進一步改進預報。通過比較2008-2010年7月48h預報的訂正效果可知,TEM方法優(yōu)于DEM和SEM方法。對于93個檢驗樣本,TEM方法估算的非系統(tǒng)誤差訂正的預報效果比SEM和DEM方法好的樣本分別有61和59個,并且TEM方法得到的訂正預報的平均均方根誤差較其他兩種方法小,說明TEM方法估算的非系統(tǒng)誤差訂正效果較為明顯。
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圖２－１邐１月份東亞地區(qū)不同預報時效的ＳＯＯｌｉＰａ高度場的系統(tǒng)性誤差場禪位：即ｍ）邋：邋（ａ）邋２化逡逑預報；化）４８ｈ預報．逡逑圖２－１給出了邋ＧＲＡＰＥＳ模式Ｉ月份東亞地區(qū)２４ｈ和４化系統(tǒng)性誤差場，可逡逑看出，２４ｈ和４化５００ｈＰａ高度場的系統(tǒng)性誤差呈現(xiàn)出自南向北隨紳度由正值逐逡逑漸減小至負值的趨勢，且負值區(qū)域范圍較大。這說明除了低紳度地區(qū)ＧＲＡＰＥＳ逡逑的預報值偏低，，而在東亞大部分地區(qū)（２０°Ｎ邋Ｗ北，１２０°Ｅ邋Ｗ西）ＧＲＡＰＥＳ模式逡逑的預報值偏高，尤其是在青藏高原的東北側。這反映了邋ＧＲＡＰＥＳ模式對大尺度逡逑地形地區(qū)的動力熱力過程描寫可能存在缺陷。４化５（Ｘ）ｈＰａ高度場的系統(tǒng)性誤差場逡逑和２４ｈ的系統(tǒng)性誤差場分布特征相似，但誤差偏差較大，說明系統(tǒng)性誤差隨著預逡逑報時效的X椉傭鳻棿�。辶x希櫻埃危保蓿潁潁潁潁В危哄五五危海蓿澹叮埃五澹鰣五五邋巍誨辶ⅲ義希擔擔危危插澹皺澹插危祝危蒎位Ф憾懾義希擔埃危

本文編號：2693649