GRAPES对流尺度集合预报模式中不同尺度初始扰动能量的演变特征

对流尺度数值预报对初始场的微小扰动非常敏感,且初始扰动的演变具有模式依赖、环流依赖和尺度依赖特征,如何构建合理的初始扰动场是国内外对流尺度集合预报领域尚未解决的难点问题和研究前沿。本文基于中国气象局3 km水平分辨率的GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)对流尺度模式,利用其同化分析系统的背景误差和一个二维随机型,构建大、中、小三个尺度的初始扰动场,并选取中国夏季一次典型的多区域强降水天气个例,开展对流尺度集合预报试验,对比分析了大、中、小尺度初始扰动能量的时空演变和谱分解特征,以期为构建适用于GRAPES对流尺度集合预报的初始扰动场提供依据。研究结果表明,在GRAPES 3 km对流尺度模式中:(1)大、中、小尺度初始扰动总能量的增长过程具有明显差异。大尺度初始扰动总能量随着模式积分呈增长趋势,尤以对流层中高层的持续增长为甚;而中、小尺度初始扰动总能量随着模式积分以日变化为主,表现为下午至傍晚(夜晚至清晨),扰动总能量显著增加(减小),且扰动总能量小尺度分量的日变化占主导,这可能是由于太阳辐射引起地表加热,使得白天的对流活动比夜晚活跃,且对流直接影响了扰动总能量小尺度分量的变化。此外,大、中、小尺度初始扰动总能量增长均以扰动动能增长为主,扰动位能在对流层低层的增长不可忽略。(2)大、中、小尺度初始扰动总能量增长具有环流依赖特征。对北支气流控制的中高纬天气区,在斜压不稳定较强的低槽区,大尺度初始扰动总能量增长突出,而在槽后西北气流区,大、中、小尺度初始扰动总能量均不增长;对南北气流交汇区,仍以大尺度初始扰动总能量增长最为明显;对南海夏季风影响区,大、中、小尺度初始扰动总能量发展均较弱,扰动位能增长与区域降水大值率演变有较好的对应关系。(3)大、中、小尺度初始扰动总能量的谱分析结果显示,不同积分时段扰动总能量的多尺度串级特征有差异。积分前3 h主要为扰动总能量的大尺度分量向小尺度分量降尺度串级,积分6 h后则为中、小尺度分量的升尺度串级。上述研究结果表明,在天气系统复杂、动力不稳定时空分布不均匀的区域(如中国区域)发展对流尺度集合预报时,有必要针对不同的不稳定天气区,构建具有尺度依赖和环流依赖的初始扰动结构。