【摘要】：集合變換卡爾曼濾波(ETKF)是一種有效的集合預(yù)報(bào)初始擾動(dòng)方案,得到廣泛應(yīng)用。但是,有限的集合樣本、相同的集合成員設(shè)置以及預(yù)報(bào)模式誤差等可能會(huì)使ETKF方案中兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的狀態(tài)變量產(chǎn)生較高的虛假相關(guān),從而影響集合擾動(dòng)的質(zhì)量。為了有效解決遠(yuǎn)距離虛假相關(guān)的問(wèn)題,將局地化思想引入ETKF方案。本文針對(duì)GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GRAPES REPS),研究發(fā)展了 ETKF局地化方案(LETKF),確定了 LETKF方案的局地化尺度等關(guān)鍵參數(shù);通過(guò)暴雨個(gè)例和連續(xù)批量試驗(yàn),從初始擾動(dòng)的相關(guān)分布、能量結(jié)構(gòu)、演變特征以及集合預(yù)報(bào)綜合檢驗(yàn)等多方面,分析了 LETKF方案消除遠(yuǎn)距離虛假擾動(dòng)的有效性。結(jié)果表明,GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)中,LETKF局地化能夠有效消除遠(yuǎn)集合擾動(dòng)的距離虛假相關(guān),進(jìn)一步改善了集合擾動(dòng)的質(zhì)量,更加合理地捕捉到快速增長(zhǎng)的分析誤差的物理結(jié)構(gòu),較準(zhǔn)確地再現(xiàn)數(shù)值模式預(yù)報(bào)誤差的線性與非線性傳播和演變特征。主要結(jié)論如下:(1)研究發(fā)展了 GRAPES REPS的LETKF局地化初始擾動(dòng)方案。新構(gòu)建的LETKF局地化方案能夠有效消除區(qū)域集合擾動(dòng)的遠(yuǎn)距離虛假擾動(dòng)信息,提高集合擾動(dòng)的整體質(zhì)量。(2)在當(dāng)前模式水平分辨率和15個(gè)集合成員的條件下,LETKF局地化半徑為700 km的結(jié)果,對(duì)于消除集合擾動(dòng)的遠(yuǎn)距離虛假、改進(jìn)集合擾動(dòng)質(zhì)量的效果相對(duì)最好。集合擾動(dòng)的相關(guān)分布、能量結(jié)構(gòu)、演變特征證明了局地化方案的有效性及相應(yīng)擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理性。另外,引入低層大氣信息合理增大預(yù)報(bào)的集合離散度,進(jìn)一步優(yōu)化了 LETKF局地化方案的性能。(3)基于個(gè)例分析和批量試驗(yàn),結(jié)果表明LETKF局地化方案對(duì)改進(jìn)集合預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)質(zhì)量,尤其是小雨、中雨、暴雨量級(jí)的預(yù)報(bào)具有較好效果。相比于GRAPES REPS,局地化方案的區(qū)域集合預(yù)報(bào)整體質(zhì)量具有較明顯的優(yōu)勢(shì),尤其是對(duì)溫度場(chǎng)的改善更為顯著。不同物理量、不同層次的集合擾動(dòng)、離散度的發(fā)展與傳播特征并不一致。通常,對(duì)流層中高層質(zhì)量較好,低層相對(duì)較差。
【圖文】：

可以有效解決極地離散格點(diǎn)計(jì)算問(wèn)題。在實(shí)際計(jì)算離散差分過(guò)程中，計(jì)算非靜力模式的逡逑垂直運(yùn)動(dòng)方程容易受到垂直分層設(shè)置的影響，尤其是上、下邊界條件對(duì)其影響更大，基逡逑于此，ＧＲＡＰＥＳ模式采用了邋Ｃｈａｒｎｅｙ—Ｐｈｉｌｉｐｓ跳層非均勾分層設(shè)計(jì)（圖２．２）。逡逑圖２．１邋Ａｒａｋａｗａ－Ｃ格點(diǎn)分布設(shè)置逡逑Ｃｈａｒｎｅｙ－Ｐｈｉｌｌｉｐｓ邋垂直層次邐Ｌｏｒｅ＂Ｋ逡逑ｚ，ｚ，，０，ｗ，ｗ邐ｋ邋＝邋Ｎ邐ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑Ｚ，Ｚ，ｐ，Ｐ，Ｕ，Ｖ邐ｋ邋＝邋Ｎ－Ｑ．５邐ｚ，ｚ，６，ｐ，Ｐ，ｕ，ｖ逡逑ｚ，ｚ，６＞，ｖｈｗ邐ｋ＾Ｎ－＼．０邐ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑上邊界逡逑ｚ，ｚ，ｐ，Ｐ，ｕ，＼邐ｋ邋＝邋Ｎ邋－邋＼邋．５邐ｚ，ｚ，６，ｐ，Ｐ，ｕ，ｖ逡逑？邐？邐？逡逑？邐？邐？逡逑？邐？邐？逡逑ｚ，ｚ，６，ｗ，ｗ邐Ａ：邋＝邋２＿０邐ｚ，ｚ，ｗ，ｗ逡逑ｚ

確定的模式區(qū)域，理想情況是對(duì)該區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)進(jìn)行局地化求解致計(jì)算量大，實(shí)際操作難以實(shí)現(xiàn)。為減小計(jì)算量提高計(jì)算效率，將分為Ｎ個(gè)小方塊，每個(gè)方塊的中心點(diǎn)選定為“局地化中心”（如試驗(yàn)設(shè)定合適的局地化半徑，利用該局地半徑內(nèi)的觀測(cè)（圖中小圓分布）計(jì)算該中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的變換矩陣。該中心點(diǎn)所在局地區(qū)域內(nèi)同的變換矩陣更新擾動(dòng)，即由ＥＴＫＦ線性擾動(dòng)變換關(guān)系Ｘａ邋＝邋ＸｆＴｎ：逡逑Ｘａ＝ＸｆＴＬｎ邐（３．４）逡逑ｈ為高度。局地化算子Ｌ是包含局地化方案中模式水平空間內(nèi)局地化半徑及其隨高度的變化等參數(shù)。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，這里將隨高度ｈＬ簡(jiǎn)化為不隨高度變化的定常值。逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P456.7

【參考文獻(xiàn)】

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2 馬旭林;時(shí)洋;和杰;計(jì)燕霞;WANG Yong;;基于卡爾曼濾波遞減平均算法的集合預(yù)報(bào)綜合偏差訂正[J];氣象學(xué)報(bào);2015年05期

3 馬旭林;于月明;姜?jiǎng)?李炬;;基于集合卡爾曼變換的目標(biāo)觀測(cè)敏感區(qū)識(shí)別系統(tǒng)優(yōu)化及影響試驗(yàn)[J];大氣科學(xué)學(xué)報(bào);2014年06期

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5 張涵斌;陳靜;智協(xié)飛;李應(yīng)林;孫云;;GRAPES區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用研究[J];氣象;2014年09期

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8 杜鈞;陳靜;;單一值預(yù)報(bào)向概率預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ):談?wù)劶项A(yù)報(bào)及其帶來(lái)的變革[J];氣象;2010年11期

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本文編號(hào)：2695917