动力相似预报的策略和方法

论文摘要

本文基于对数值天气预报和短期气候预测研究的全面回顾,指出发展预报策略和方法研究是除了改善资料和改进模式之外提高预报水平的重要途径,并强调动力预报中对历史相似信息的利用在实现统计-动力有机结合方面的重要价值。为此,本文在前人研究基础上,紧紧围绕“动力相似预报”这一新框架,沿着“如何在动力预报中有效地运用相似性信息”这一研究主线,在数值预报订正、集合预报、模式后处理技术以及可预报性研究等方面,全面引入相似的观点,提出了创新性的策略和方法,并进行理论分析和数值试验,得到了令人鼓舞的结果,从而证实其具有广泛的研究和应用前景。主要结果和结论如下: （1） 从物理上深入研究了“相似预报——频流型——可预报性”关系,数值试验和诊断分析都证实理论模型和实际大气不同尺度的动力预报结果及其误差行为具有相似性,通过比较和探讨统计和动力相似预报的差别,归纳并提出了三类相似性问题和动力相似预报的物理基础,进而提出动力预报的相似性原理。 （2） 提出了利用历史资料中相似信息估计模式误差的反问题和对预报误差进行预报的新思路;依据动力预报的相似性原理,提出和发展了一种统计动力相结合的相似误差订正方法,可针对当前预报特殊性来区分所利用过去资料的特殊性。找到了动力相似预报方程相对于相似离差方程和相似误差订正方程的理论优势所在。提出了误差订正间隔和相似更新周期的新概念。 （3） Lorenz模式的全局预报试验表明,相似更新周期、误差订正间隔和观测样本间隔都对相似误差订正影响很大;相似个数、系统性和随机观测误差也会产生明显影响;误差的简单线性估计算法可很好地代替超平面近似法应用于实际。进一步发展了“重启”的误差诊断新方案。T63模式预报试验显示了不错的改进效果。海温相似性问题可以影响到上述方法的实际预报效果。 （4） 针对初始相似的有限持续性问题,并考虑在动力预报中引入多个历史相似信息,提出了基于多个参考态更新的动力相似预报新方法。该方法既可将相似-动力模式或者相似误差订正法分别作为动力预报核,又能在最小二乘意义下将不同参考态的预报结果重新估计出最佳预报向量。利用Lorenz模式和T63模式进行数值试验表明,预报技巧得到明显提高。 （5） 按照相似误差订正思路发展了一种模式误差参数化方案,并基于这一方案发展了相似-动力集合预报的新方法,提出将多个动力相似预报的结果由简单算术平均发展为考虑相似性差异的加权集合,以及引入相似更新理念的过程集合新思路。将新的集合方法应用到相似-动力延伸预报中,初步发展了一个相似-动力集合预报试验性系统,实时准业务月预报试验显示出令人鼓舞的结果。 （6） 深入探讨了事后相似误差订正方法在月、季短期气候预测中应用的理论问题和误差估计方法,证实了这一尺度上由历史相似预报误差重新估计当前预报误差的可行性。以一个可预报性研究验证了该方法的应用潜力,月平均环流和夏

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• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 预报方法分类与客观预报的发展
• 1.2 相似预报的发展和研究现状
• 1.3 数值天气预报与短期气候预测的发展与现状
• 1.3.1 数值天气预报的发展
• 1.3.2 延伸期预报和月预报研究进展
• 1.3.3 季节至年度预测研究进展
• 1.4 可预报性的相关研究
• 1.5 预报困难与预报策略
• 1.5.1 预报误差的相关研究
• 1.5.2 集合预报技术的发展
• 1.5.3 预报策略研究的必要性
• 1.5.4 统计-动力相结合的预报方法研究
• 1.6 本文研究问题的提出
• 第二章 模式和资料
• 2.1 Lorenz模式
• 2.1.1 建立理想试验的“实况数据集”
• 2.1.2 理想试验的检验统计量
• 2.2 T63L16月动力延伸业务预报模式简介
• 2.3 海气耦合模式的业务回报
• 2.3.1 大气模式和海洋模式及其耦合
• 2.3.2 汛期预测的历史回报
• 2.4 所用资料
• 2.5 月DERF业务预报
• 2.5.1 月平均环流预报的集成方法
• 2.5.2 CMA/NCC的业务月预报
• 2.6 预报结果的检验标准
• 2.7 小结
• 第三章 相似性原理与动力相似预报的物理基础
• 3.1 相似预报、可预报性和低频流型三者的关系
• 3.1.1 相似预报与可预报性
• 3.1.2 相似预报与低频流型
• 3.2 距平模式、切线性模式与相似-动力模式
• 3.3 Lorenz系统的理论分析和数值试验
• 3.3.1 统计相似预报范例
• 3.3.2 Lorenz模式预报误差与相似性的关系
• 3.3.3 模式误差影响的全局试验分析
• 3.4 实际大气不同尺度确定性预报误差的相似性
• 3.4.1 逐日预报误差的相似性
• 3.4.2 月平均环流预报误差的相似性
• 3.4.3 大气韵律现象与季节预报误差的相似性特征
• 3.5 动力相似预报的方法和物理基础
• 3.5.1 模式误差与相似-动力方法的理论分析
• 3.5.2 三类相似性问题
• 3.5.3 动力相似预报的物理基础
• 3.6 小结
• 第四章 统计-动力相结合的相似误差订正法
• 4.1 提出反问题
• 4.2 等价的相似-动力模式
• 4.3 相似误差订正法
• 4.3.1 对预报误差的预报——基于所有资料
• 4.3.2 对预报误差的预报——动力相似预报方程
• 4.3.3 对ACE进行理想化极限情形的定性分析
• 4.3.4 关于ACE的分类和若干技术问题
• 4.4 误差估计方法
• 4.4.1 超平面近似法
• 4.4.2 最小二乘意义下的简单线性估计算法
• 4.4.3 误差估计的三维变分同化方法
• 4.5 误差订正间隔与相似更新周期
• 4.6 ACE与国外初始倾向误差订正方法的比较
• 4.7 小结
• 第五章 相似误差订正法的数值试验
• 5.1 相似误差订正法与相似—动力模式的比较
• 5.1.1 个例分析
• 5.1.2 相似更新周期对预报影响的全局试验
• 5.2 相似误差订正法的Lorenz模式全局试验
• 5.2.1 参数PAU、ICE和IOS时ACE的影响
• 5.2.2 不同模式参数误差情况下ACE的性能
• 5.2.3 不同误差估计方案和相似个数对ACE的影响
• 5.2.4 理想化观测误差对ACE性能的影响
• 5.3 相似误差订正中误差诊断方案及改进
• 5.4 T63复杂模式的数值试验
• 5.4.1 逐日环流的预报
• 5.4.2 旬平均环流的预报
• 5.4.3 月平均环流的预报
• 5.5 有关海温对于ACE预报的影响问题
• 5.6 小结
• 第六章 基于多个参考态更新的动力相似预报方法及应用
• 6.1 多个参考态的使用与动力相似预报的新方法
• 6.2 最佳预报向量的估计
• 6.3 多参考态更新方法的概念流程
• 6.4 Lorenz模式的ADM和MRSU理想化试验
• 6.4.1 DAP各方法的个例对比试验
• 6.4.2 MRSU的全局试验结果
• 6.5 T63全球谱模式的预报试验
• 6.5.1 试验方案设计
• 6.5.2 试验结果分析
• 6.6 小结
• 第七章 基于模式误差参数化的相似-动力集合预报方法
• 7.1 集合预报与相似性原理的关系
• 7.2 基于相似误差订正法的模式误差参数化方案（MEP）
• 7.2.1 减小模式误差的基本问题
• 7.2.2 减小模式误差的另类途径
• 7.2.3 一种基于ACE的模式误差参数化方案的发展
• 7.3 传统集合预报中存在的问题
• 7.4 相似-动力集合预报的新方法
• 7.4.1 集合预报新方法的研究背景
• 7.4.2 提出相似-动力集合预报的新方法
• 7.5 基于MEP的相似-动力加权集合和过程集合
• 7.5.1 相似-动力加权集合（ADWE）及其理想化试验
• 7.5.2 相似-动力的过程集合（ADPE）
• 7.6 相似-动力集合预报试验性系统（ADEFES）
• 7.6.1 ADEFES的设计方案
• 7.6.2 实时相似-动力延伸预报（ADERF）的准业务试验
• 7.6.3 月平均环流预报
• 7.6.4 逐日环流预报
• 7.6.5 不同尺度波的预报
• 7.6.6 资料质量对实时ADERF准业务预报结果的影响
• 7.7 小结
• 第八章 相似误差订正法在短期气候预测中的应用
• 8.1 事后相似误差订正方法
• 8.2 FACE在月平均环流预报中的应用试验
• 8.2.1 月尺度预报误差的估计
• 8.2.2 FACE在MMC预报中应用的个例研究
• 8.3 在季节预测中FACE的理论误差估计方法
• 8.4 FACE在动力季节预测中的应用
• 8.4.1 夏季平均环流场的误差估计
• 8.4.2 FACE应用到季节预测中的试验方案设计
• 8.4.3 针对FACE的可预报性研究
• 8.4.4 夏季平均环流的FACE预报试验
• 8.4.5 夏季降水的FACE预报试验
• 8.4.6 相似个数对FACE预报技巧的影响
• 8.5 小结
• 第九章 相似选取的若干问题和大气低频流型相关研究
• 9.1 相似选取中变量选择问题
• 9.1.1 相似变量的选择与使用多变量度量相似性
• 9.1.2 不同变量场的选择对动力相似预报影响的试验
• 9.2 海-气系统中不同尺度相似的选取问题
• 9.2.1 两级相似选取方法和综合相似指标
• 9.2.2 海-气系统中的演变相似和倾向相似
• 9.3 相似选取中资料形式的影响
• 9.3.1 基于谱系数的相似指标（SCAI）
• 9.3.2 基于格点和谱系数相似指标的比较试验
• 9.4 相似选取中相似度量的影响
• 9.5 相似选取与空间自由度的关系
• 9.5.1 整体相似和局部相似问题
• 9.5.2 全球相似与区城相似问题
• 9.6 相似选取中其他相关问题的讨论
• 9.6.1 相似选取的技术问题
• 9.6.2 资料数量对相似选取的影响
• 9.6.3 所选取相似的质量与预报技巧的关系
• 9.6.4 大气和海洋涛动对动力相似预报技巧的影响
• 9.7 建立具有少数空间自由度的EOF数据集
• 9.8 北半球夏季5～9月大气低频流型的研究
• 9.8.1 方案设计与低频流型的识别
• 9.8.2 低频流型的合成图
• 9.8.3 低频流型的优势转换关系
• 9.8.4 低频流型的历史分布状况
• 9.8.5 中国夏季大尺度低频雨型及其转换模的研究
• 9.9 小结
• 第十章 总结、讨论与展望
• 10.1 全文总结
• 10.2 相关问题的讨论
• 10.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 预报误差估计的三维变分同化方法
• 附录Ⅱ 英文名称缩写列表
• 附录Ⅲ 中国夏季大尺度低频雨型及其转换模
• 附录Ⅳ 个人简介及在学期间发表论文情况
• 致谢