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《中国气象科学研究院》 2017年
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中国南方持续性强降水过程的区域模式动力延伸中期预报研究

赵艳风  
【摘要】:中国南方汛期持续性强降水及其次生灾害给人民的生产和生活造成严重影响,是我国主要的灾害性天气之一。延伸区域数值模式对持续性强降水的预报时效对防灾减灾具有重要意义。本研究旨在基于对中国南方持续性强降水过程形成机理的认识,建立区域模式动力延伸中期预报理论框架,发展针对持续性强降水过程的模式动力预报理论和技术,为延伸持续性异常降水预报时效提供新方法和新思路。研究成果主要包含以下四个方面:(1)分析总结了中国南方持续性强降水过程的动力学理论基础,对不同类型持续性强降水过程的大尺度动力环流、大气波动时空分布及大气角动量输送特征进行了统计分析,结果表明中国南方汛期持续性强降水的发生与行星尺度大气波动异常密切相关,是在特定的天气和气候背景下产生的。不同类型持续性强降水过程的大尺度环流及波动时空分布特征不同,华南前汛期类型的环流场调整发生在降水过程前3天,加深发展的东亚大槽(3-5波)与西伸的副热带高压(1-2波)相互作用;华南后汛期环流场在降水过程前5天调整变化,低槽南压(2-4波)发展与副热带高压相互作用,并受高纬3波高压脊的阻塞影响;江淮梅雨期环流形势在过程前3天调整,50°N的低槽长波能量向短波传递,中低纬度副热带高压西伸并北抬。持续性强降水过程前期有明显的涡旋角动量输送减弱,并随时间从高纬度向低纬度传递,体现了中高纬度阻塞形势的作用。降水过程中向北的输送增加表明了东北-西南走向的天气系统对气流和水汽汇合的重要性。(2)从模式误差来源分析及多尺度环流系统的模式预报评估方面对模式预报误差进行了讨论,全球预报场的超长波和长波较中小尺度波动有较长的预报时效,而区域模式对于中小尺度天气有较好的预报能力,有效利用全球模式的大尺度预报场以及区域模式的中小尺度信息是本研究动力延伸预报理论的基础。对于持续性强降水的预报,初边值误差在模式积分过程中不断增加,导致区域模式内场预报时效减小。侧边界滤波、多尺度混合更新初值方案以及内场谱逼近分别是针对边界场误差、初值误差以及模式内场误差的有效动力预报方法。(3)对中国南方不同类型持续性强降水个例分别进行了侧边界低通滤波、内场低频谱逼近及多尺度混合更新初值滚动预报试验,并对区域模式预报的降水和环流场进行评估,对比分析表明,内场谱逼近的方案对提前3-7天小雨以上量级的降水预报改进明显,对大尺度环流场的改进主要体现在提前1-5天预报距平相关系数值较低的阶段,对不同高度层高度场、温度场、相对湿度及经纬向风场的均方根误差均有较明显的减小;侧边界滤波对提前5-7天降水预报改进明显,对提前7-11天的温度场、500hPa以上风场及位势高度场的预报误差明显减小,降水的改进效果主要基于大尺度关键环流系统以及水汽通量辐合强度位置的较好预报;更新初值滚动预报方案有效改进了逐日降水的中雨、大雨及暴雨量级降水的预报,对于提前5-11天50及100mm以上的过程累积降水预报有明显改进,随着提前预报时长的增加,改进率不断增大,对于累积降水和比湿的均方根误差改进率分别为6.2%及5.67%,对于高度场、温度场及风场的预报误差有明显减小,并且误差减小值随着预报时长的增加而增大。(4)对上述三种动力预报方案进行混合方案试验,利用区域模式开展2016年中国南方汛期(4-8月)的批量预报试验,并对不同类型降水的预报场进行对比分析。综合方案对于2016年长江流域典型持续性强降水100mm以上累积降水的雨带范围预报有明显的改进作用。在批量试验预报中,对降水的改进主要表现在3-9天的预报中,尤其对中雨的改进最明显,对持续性强降水过程50mm以上的累计降水强度和雨带的预报明显提高,预报时间越长,降水量级越大,综合方案的预报优势越明显。对于500hPa环流场的距平相关系数在0.8以及0.6以上的预报天数提高0.5天。对不同高度层的高度场、相对湿度场、温度场以及风场的预报误差都有一定减小。
【关键词】:持续性强降水 区域模式动力延伸中期预报 侧边界滤波 谱逼近 更新初值
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P426.6
【目录】:
  • 摘要4-6
  • abstract6-13
  • 第1章 引言13-27
  • 1.1 研究背景13-18
  • 1.1.1 持续性强降水简介13-14
  • 1.1.2 数值天气预报发展简史14-16
  • 1.1.3 区域模式动力延伸预报16-18
  • 1.2 国内外研究现状18-20
  • 1.2.1 国外研究进展18-19
  • 1.2.2 国内研究进展19-20
  • 1.3 研究内容及目的20-21
  • 1.3.1 研究目标20-21
  • 1.3.2 研究内容21
  • 1.4 研究创新点21-22
  • 1.5 研究资料与方法22-26
  • 1.5.1 研究资料22-23
  • 1.5.2 WRF模式介绍23-24
  • 1.5.3 模式预报评估方法24-26
  • 1.6 论文结构26-27
  • 第2章 持续性强降水过程的动力学理论基础27-53
  • 2.1 持续性强降水过程的形成机理研究回顾27-33
  • 2.1.1 天气背景27-30
  • 2.1.2 气候背景30-32
  • 2.1.3 青藏高原的重要作用32-33
  • 2.2 持续性强降水过程大尺度动力环流特征33-50
  • 2.2.1 方法介绍34-37
  • 2.2.2 持续性强降水个例筛选37-39
  • 2.2.3 500 hPa环流特征39-41
  • 2.2.4 大尺度大气波动特征41-47
  • 2.2.5 涡旋角动量的输送特征47-50
  • 2.3 本章小结50-53
  • 第3章 区域模式动力预报理论框架53-69
  • 3.1 模式预报误差分析53-60
  • 3.1.1 区域模式误差来源分析53-57
  • 3.1.2 多尺度环流系统的模式预报评估57-60
  • 3.2 模式动力预报方法的发展及应用60-65
  • 3.2.1 滤波方法60-61
  • 3.2.2 谱逼近方案61-63
  • 3.2.3 多尺度混合技术63-65
  • 3.3 本研究预报试验方案框架的提出65-69
  • 3.3.1 内场谱逼近与侧边界低通滤波方案66
  • 3.3.2 多尺度混合更新初值滚动预报方案66
  • 3.3.3 综合预报理论框架66-69
  • 第4章 内场谱逼近与侧边界低通滤波预报试验69-85
  • 4.1 引言69
  • 4.2 研究方法69-72
  • 4.2.1 个例简介69-70
  • 4.2.2 内场谱逼近70-71
  • 4.2.3 侧边界低通滤波71
  • 4.2.4 模式设置71-72
  • 4.3 试验结果72-82
  • 4.3.1 降水72-80
  • 4.3.2 环流场80-82
  • 4.4 本章小结82-85
  • 第5章 多尺度混合更新初值滚动预报试验85-101
  • 5.1 引言85-86
  • 5.2 研究方法86-92
  • 5.2.1 个例简介86-87
  • 5.2.2 二维离散余弦变换87-88
  • 5.2.3 波谱能量分析88-90
  • 5.2.4 多尺度混合更新初值滚动预报90-91
  • 5.2.5 模式设置91-92
  • 5.3 试验结果92-100
  • 5.3.1 降水92-97
  • 5.3.2 气象要素场97-100
  • 5.4 本章小结100-101
  • 第6章 综合方案的应运及批量试验101-117
  • 6.1 引言101
  • 6.2 试验设计101-104
  • 6.2.1 模式设置101-102
  • 6.2.2 试验设置102-104
  • 6.3 一次典型持续性强降水个例试验分析104-109
  • 6.3.1 2016年7月长江流域持续性强降水个例介绍104-106
  • 6.3.2 试验结果106-109
  • 6.4 批量试验统计检验分析109-116
  • 6.4.1 降水109-114
  • 6.4.2 环流场114-116
  • 6.5 本章小结116-117
  • 第7章 总结与讨论117-121
  • 7.1 全文概述117
  • 7.2 主要结论117-119
  • 7.2.1 中国南方持续性强降水过程形成的动力学特征117-118
  • 7.2.2 区域模式动力预报的误差分析及其改进方案118
  • 7.2.3 不同动力预报方案的个例试验及评估118-119
  • 7.2.4 综合方案的批量试验及对比评估119
  • 7.3 存在的不足及展望119-121
  • 参考文献121-133
  • 致谢133-135
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果135-136

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