GRAPES全球集合预报系统模式扰动随机动能补偿方案初步探究

为了体现次网格尺度能量升尺度转换过程中存在的不确定性,文中将随机动能补偿(Stochastic Kinetic Energy Backscatter,SKEB)方案应用于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)全球集合预报系统(GRAPES-GEPS),以更好地表征模式误差并且增大集合离散度。使用的SKEB方案基于具有一定时、空相关特征的随机型以及由数值扩散导致的局地动能耗散率来构造随机流函数强迫。并根据流函数与水平风速旋转分量的关系,将SKEB方案中的流函数强迫转化为适用于GRAPES全球模式的水平风速扰动。结果表明,SKEB方案的使用一方面能够提高GRAPES对大气动能谱的模拟能力;另一方面能够改善GRAPES-GEPS的集合离散度与集合平均误差的关系,增加了集合离散度,并在一定程度上减小了集合平均误差,尤其是在热带地区这种改进更为显著。而且该方案使得热带地区连续分级概率评分(CRPS评分)显著减小。就降水预报而言,从Brier评分与相对作用特征面积(AROC,Area under the Relative Operating Characteristics)的结果来看,SKEB方案有助于改善中国地区小雨[0.1 mm,10 mm)、中雨[10 mm,25 mm)与大雨[25 mm,50 mm)量级降水的概率预报技巧,而对暴雨[50 mm,∞)量级降水预报技巧影响很小(24 h降水量)。总体上,模式扰动随机动能补偿方案提高了GRAPES-GEPS的概率预报技巧。

GRAPES全球集合预报系统不同随机物理扰动方案影响分析

为了更好地理解不同随机物理扰动方案对全球中期集合预报的影响差异,本研究基于GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)对比分析了随机物理倾向扰动(Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT)、随机动能补偿(Stochastic Kinetic Energy Backscatter,SKEB)及联合使用SPPT与SKEB三种模式扰动方案所产生的扰动特征及其对集合预报的影响。为避免初值扰动影响,考察随机物理方案所产生的扰动特征时,不使用初值扰动。通过扰动与误差相关性分析(PECA)发现,不同随机物理扰动方案所产生的扰动对预报误差均具有一定的描述能力,而且联合使用SPPT与SKEB方案时,扰动对误差的描述能力最好。对所有扰动方案来说,扰动总能量最初主要集中在热带地区对流层中高层以及平流层低层。随着预报时效的延长,扰动总能量不断增大,其大值区不断向热带外地区转移。从扰动总能量的谱结构来看,扰动能量均呈现升尺度发展的特征。在基于奇异向量初值扰动的GRAPES-GEPS中,随机物理扰动方案的使用均能够显著增加不同地区等压面要素的集合离散度,并在一定程度上改善集合平均误差。由于集合离散度的增大,预报失误率显著减小。连续分级概率评分也有所减小,尤其是在热带地区,改进更为明显。此外,中国地区不同量级(小雨、中雨、大雨和暴雨)降水概率预报技巧在一定程度上得到改善。上述改进均在联合使用SPPT与SKEB方案时最好,这与扰动总能量、扰动与误差相关分析结果一致。

随机物理集合预报研究进展

考虑模式不确定性的集合预报是集合预报理论研究与业务应用的重要方面。模式不确定性主要源于大气在时间与空间方面的数理简化与有限数值计算,以及物理过程本身的非完美构造。当前盛行方法包括多模式法、多物理过程法以及随机物理法。本文旨在梳理随机物理集合预报研究进展、应用效果、主要方法、存在问题等方面,归纳相关理论和技术试验结果及科学问题,并探讨未来值得探索与研究的方向,为随机物理集合预报深入应用,以及集合预报相关理论从业人员提供参考与借鉴。