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行业专项成果综述-GRAPES区域集合预报多尺度混合扰动关键技术研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2021/4/29 9:44:26   标签:   浏览次数:2806

项目编号GYHY201506005

研究周期2015年1月-2017年12月

国拨经费274万元

项目负责人】邓国

项目骨干成员】邓国、陈静、李晓莉、田华、马旭林、杜钧、王勇、葛旭阳、周顺武、高丽、李应林,佟华、刘志丽等

项目承担单位国家气象中心

项目协作单位】南京信息工程大学、中国气象广州热带海洋气象研究所

主要研究成果

本项目主要研究内容是基于已建立的GRAPES-MESO区域集合预报业务系统,通过发展多尺度混合初值扰动技术、模式物理过程随机扰动技术,研究GRAPES-MESO集合预报后处理方法和信息提取方法,开发强对流概率预报产品,在此基础上建立中国区域10km分辨率,包含15-30个集合成员的GRAPES-MESO区域集合预报业务系统,降水预报失误概率(Outlier)平均降低5%-10%,偏差订正后集合降水概率预报技巧BSS评分较现有业务系统提高5%-10%。区域GRAPES-MESO集合预报产品下发全国气象台站,强对流集合预报产品集成到中央气象台强对流业务平台,为国家级强对流预报业务平台提供强对流产品支撑。通过本项目研究,将改善GRAPES-MESO区域集合预报业务系统离散度,提高GRAPES-MESO集合预报业务应用能力和灾害性天气过程概率预报能力,完善GRAPES模式体系,为发展GRAPES区域模式混合集合同化技术奠定基础,为高影响天气概率预报提供指导。

1)构建了业务GRAPES-REPS模式面ETKF初值扰动方案

本课题针对中国气象局数值预报中心GRAPES 区域集合预报业务系统,结合国际上集合预报技术新方法,基于等压面ETKF初始扰动方案,构建了模式面ETKF初值扰动计算方案。课题解决了模式面的物理约束和动力平衡关系,以及预报误差的传播特征和发展结构,研究了ETKF初值扰动物理变量的计算方案、关键垂直层次、观测误差水平和垂直结构;构造全能量度量函数,并丰富了对流层低层大气的运动信息;引入与同化系统中能够有效同化的实际观测资料一致的真实观测资料信息,优化了ETKF系统中真实观测资料对初始扰动包含的中小尺度扰动结构特征和振幅;改进了ETKF计算方案对中小尺度天气系统预报误差传播的扰动结构和振幅的描述能力;较好地解决了集合离散度偏小、中小尺度天气系统预报误差结构和动力传播描述不准确和区域集合预报产品针对性不强等关键科学技术问题,改善了GRAPE-REPS集合预报初始扰动对中小尺度天气系统的描述能力。

在等压面GRAPES-ETKF集合初始扰动方案和模式面GRAPES区域变分同化系统的基础上,确定ETKF计算方案中模式面的相关物理量、关键垂直层次;其次,考虑由等压面向模式面转换过程中物理约束和动力学意义的有效性。同时研究了等压面上与模式面上预报误差传播特征和发展结构的差异,最终构建了适用于GRAPES模式面同化系统的GRAPES-ETKF计算方案。研究了水汽对中小尺度天气系统扰动的热动力影响作用,同时分析了低层大气运动信息对对对流层中上层中小尺度天气系统预报误差发展和结构特征的影响;构造引入潜热能即湿度因子的全能量ETKF度量函数,并丰富了对流层低层大气运动信息。对新构造的度量函数开展了个例试验和批量试验,并进行了充分的优化。针对实际观测资料空间分布不均匀,且存在明显的区域差异,容易导致ETKF初始扰动的构造中容易导致虚假扰动结构,从而影响集合扰动对中小尺度天气系统预报误差的描述质量。本研究结合实际业务GRAPES-MESO区域集合预报的需求,提取与同化系统中有效同化的实际观测资料一致的真实观测资料信息,重点考虑和解决实际观测资料分布不均匀、明显地区差异对ETKF初始扰动导致的虚假结构。

在前述研究工作的基础上,针对GRAPES-REPS模式面ETKF初值扰动计算方案,选取我国暴雨、台风等典型高影响天气过程,开展了个例试验和夏季批量试验,重点考察了华南、江淮和华北区域的区域集合预报初值扰动质量和预报效果,从集合离散度、降水预报质量以及对中小尺度天气系统的描述能力等方面进行了多方面综合评价。课题研究结果显示,新构建的业务GRAPES-REPS模式面ETKF初值扰动方案,提升了中小尺度扰动的物理结构和传播的能力,改进了初值扰动质量,改善了区域集合预报质量。

2)构建了GRAPES-MESO区域集合预报多尺度混合初值扰动技术

采用两种方案开展了多尺度混合初值扰动方案研究,包括基于滤波技术的混合研究和基于同化方法的多尺度混合初始扰动技术的研究。

利用T639全球集合预报代表大尺度天气系统预报不确定性和GRAPES-MESO区域集合预报代表中尺度影响系统预报不确定的特性,利用滤波技术和谱分析方法,对全球集合预报大尺度扰动进行低通滤波而保留较大尺度扰动结构;对区域集合预报小尺度扰动进行高通滤波而保留中小较小尺度扰动结构,由此获得不同尺度的初值扰动量。将全球大尺度扰动与区域模式产生的中小尺度扰动混合(混合的比例依据谱分析结果),产生既包含较准确的大尺度信息又具有高质量的中小尺度信息的多尺度混合扰动初始扰动场(MSB方案)。

MSB初值扰动方案与ETKF初值扰动方案在业务环境中进行了连续一个月的批量试验测试,结果表明与ETKF相比,MSB方法构建的初值扰动包含更多的大尺度扰动能量,同时原始扰动场中小尺度扰动能量也得到了保留。扰动总能量分析表明MSB扰动具有比ETKF扰动更快的增长能力,通过一系列集合预报检验方法表明MSB方法比ETKF方法具有更高的预报技巧。采用两种方案对20128月一次强降水个例进行预报试验,结果表明MSB方法提供的概率降水预报更为准确,与实况更接近。近一个月的降水概率技巧评分也表明MSB方法降水预报效果较优。

提出并实现了基于资料同化思想的多尺度信息混合的新方案。该方案将大尺度扰动信息以常规观测资料的方式同化进入到区域集合预报场,以调整或弥补区域集合预报中质量偏低的大尺度大气运动信息,同时也避免了大尺度和中小尺度信息的分离。初步试验结果验证了该方案的合理性与有效性,为多尺度混合区域集合预报初始扰动方案提供了一种新的有效方案。

3)构建了适合GRAPES-MESO的模式物理过程随机扰动计算方案

以区域GRAPES模式对主要地面要素预报量(降水、温度等)的预报效果作为检验标准,以观测资料作为实况,针对模式主要物理过程方案(包括积云对流参数化方案、云微物理过程、边界层过程等)开展典型时段(20127月,20131月)的连续预报试验,通过预报结果分析区域GRAPES模式不同物理过程预报误差特征,全面了解模式中各种物理过程的预报性能,提出最优集合预报控制预报模式物理选项的建议方案,区域集合预报多物理过程扰动设计方案,实现业务运行。

基于GRAPES-MESO区域集合预报系统,发展和完善基于一阶Markov过程的模式随机扰动技术,对时间和空间尺度相关随机扰动场产生技术进行深入研究,结合GRAPES-MESO区域模式误差分析,研究适合GRAPES-MESO模式误差特征的随机扰动分布的时空尺度特征(水平波数),并以此为基础开展针对GRAPES-MESO模式物理过程的随机扰动技术研究(SPPT),对模式物理过程倾向和物理过程敏感参数(扰动范围和失相关时间)进行随机扰动,对比分析检验选择预报效果好并且计算稳定的模式物理过程随机扰动试验的设置,确定了适合业务应用为目标的模式物理过程随机扰动方案SPPT

细致分析GRAPES-MESO模式动力过程水平扩散和重力波拖曳的主要特征,利用随机扰动产生技术,开展了随机动能后向散射技术(SKEB)来弥补被耗散的能量对可分辨尺度的影响,在GRAPES-MESO区域集合预报系统中实现了SKEB方案,通过试验确定了SKEB方案相应的参数取值。

通过模式物理过程随机扰动方案SPPT和随机后向动能散射方案SKEB的研究,以及与多物理过程组合的试验,结果表明,单物理过程结合SPPTSKEBSPP方案能搞好的表现模式的误差特征,天气过程的不确定性,提高集合预报系统的离散度。

4GRAPES-MESO区域集合预报业务系统升级

综合前面研究成果,在已有集合预报业务系统(V1.0)中增加多尺度混合初值扰动模块、物理过程扰动模块、产品统一后处理模块、集合预报检验模块等,于20163月通过专家组验收,实现区域集合预报初值扰动和模式扰动技术升级;同时更新了后处理系统,ETKF初值扰动循环有6小时间隔更新为12小时,建立了新的业务流程和作业调度,完成业务系统升级(V2.0),总体改善了概率密度函数描述能力,提供了集合预报离散度,总体减低了温度场、风场等概率预报误差,特别是2米温度预报误差显著改善。

20198月,区域集合预报系统再次升级为3.0版本,在曙光高性能计算机PI上建立了ECFLOW运行流程,实现作业自动启动运行。主要包括区域集合预报背景场资料处理模块(控制预报背景场资料使用GRAPES-3km同样的全球模式资料处理,集合成员扰动信息来自GRAPES-GEPS)、控制预报和集合预报成员侧边界扰动构建模块、集合卡尔曼滤波变换ETKF初值扰动模块、台风涡旋条件重定位模块、集合预报成员云分析模块、集合成员积分模块(包括模式扰动方案所需的随机种子、扰动量大小、随机扰动截断波数、失相关时间系数)、集合预报积分数据统一后处理模块和集合预报产品后处理模块。通过设计系统合理的启动时间节点,实现自动化业务运行,集合预报产品传送至中央气象台。

5)基于GRAPES-MESO区域集合预报的分类强对流概率产品研发

基于GRAPES-MESO区域集合模式基本气象要素,开发了冰雹指数、最优抬升指数,K指数等多种强对流指数产品,并采用了最值,分位数、离散度、众数、条件概率等多种概率表现形式,包括邮票图、箱线图、面条图等多种展现方式。基于已有的GRAPES区域集合预报的基本物理量集合平均值预报产品,针对强对流天气预报,采用配料法开发雷暴、短时强降水、冰雹以及雷暴大风的客观预报产品,并通过统计物理量分布特征初步确定所参考基本物理量的阈值范围。利用GRAPES-MESO集合概率预报的不同产品配料形成分类强对流联合概率预报产品,根据历史上不同概率区间内实况发生的条件概率大小,选取预报最优概率区间,以此为基础订正得到的雷暴确定性预报和概率预报产品。

 

成果应用情况

   本项目的研究内容到项目最终的研发成果,是建立贯穿面向业务应用,且紧跟国际先进集合预报技术发展的区域集合预报系统所涉及的完整技术环节链条而开展,经过本项目的持续研发,完成预期目标,取得了以下主要技术研究成果:1)构建了GRAPES-MESO模式面ETKF初值扰动计算方案,改善了GRAPE-REPS集合预报初始扰动对中小尺度天气系统的描述能力,该方案进入业务实时系统;;2)发展了基于全球集合预报大尺度扰动信息和区域集合预报中小尺度扰动信息构建区域集合预报多尺度混合初值扰动技术,该方案进入区域集合预报业务系统2.0中;3)单物理过程接合SPPT方案已进入GRAPES-REPS业务系统中,日常业务运行;4)针对不同集合成员采用不同随机种子的模式扰动SPPT技术;5)产品自2016年投入业务运行并上线以来,图片产品可以在中央气象台网站,业务内网中实时调阅,数据产品集成在国家气象中心集合预报工具箱方便预报员交互操作,为强对流分类预报提供了有力支持。该产品能够较好把握强对流过程的天气形势,提供的分位数、离散度、条件概率以及不同集合成员的预报等产品,为预报员提供了丰富的强对流天气不确定性和极端性的参考信息。


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