ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

动力降尺度和多物理参数化方案组合对华南前汛期降水集合预报的影响研究

张凯锋 王东海 张宇 吴珍珍 李国平

张凯锋, 王东海, 张宇, 吴珍珍, 李国平. 动力降尺度和多物理参数化方案组合对华南前汛期降水集合预报的影响研究[J]. 热带气象学报, 2020, 36(5): 668-682. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.061
引用本文: 张凯锋, 王东海, 张宇, 吴珍珍, 李国平. 动力降尺度和多物理参数化方案组合对华南前汛期降水集合预报的影响研究[J]. 热带气象学报, 2020, 36(5): 668-682. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.061
Kai-feng ZHANG, Dong-hai WANG, Yu ZHANG, Zhen-zhen WU, Guo-ping LI. STUDY ON IMPACTS OF DYNAMIC DOWNSCALING AND MULTI-PHYSICAL PARAMETERIZATION SCHEME COMBINATION ON ENSEMBLE FORECAST OF ANNUALLY FIRST RAINY SEASON IN SOUTH CHINA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(5): 668-682. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.061
Citation: Kai-feng ZHANG, Dong-hai WANG, Yu ZHANG, Zhen-zhen WU, Guo-ping LI. STUDY ON IMPACTS OF DYNAMIC DOWNSCALING AND MULTI-PHYSICAL PARAMETERIZATION SCHEME COMBINATION ON ENSEMBLE FORECAST OF ANNUALLY FIRST RAINY SEASON IN SOUTH CHINA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(5): 668-682. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.061

动力降尺度和多物理参数化方案组合对华南前汛期降水集合预报的影响研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.061
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41775097

国家自然科学基金项目 41861164027

广东省科技计划 2017B020218003

详细信息
    通讯作者:

    王东海, 男, 广东省人, 教授, 主要从事中小尺度数值模拟研究。E-mail:wangdh7@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: P435

STUDY ON IMPACTS OF DYNAMIC DOWNSCALING AND MULTI-PHYSICAL PARAMETERIZATION SCHEME COMBINATION ON ENSEMBLE FORECAST OF ANNUALLY FIRST RAINY SEASON IN SOUTH CHINA

  • 摘要: 针对华南前汛期降水过程,基于全球集合预报系统(GEFS)资料,利用WRF中尺度模式以及GEFS动力降尺度获取的区域集合预报初值场,通过多物理过程参数化方案组合和模式积分方法实现华南前汛期降水的区域集合预报。对2019年5月15日—6月15日共32天的华南前汛期降水过程进行了单一物理过程区域集合预报(REFS_SINGLE)和多物理过程区域集合预报(REFS_MULTI)的数值模拟批量敏感性试验,通过GEFS、REFS_SINGLE和REFS_MULTI的对比分析,探讨多物理过程参数化方案组合对华南前汛期降水的影响,同时利用一次华南前汛期暴雨过程进一步探讨集合预报试验的预报效果。结果表明:(1)REFS集合平均的预报效果明显好于控制性预报。(2)REFS降水集合离散度与预报误差的对应关系好于GEFS。(3)积分48小时后,REFS_MULTI和REFS_SINGLE的扰动能量分别是GEFS的4.7倍和6.3倍。(4)降水级别越大,REFS的TS评分效果就越好于GEFS;REFS_MULTI略微好于REFS_SINGLE。(5)基于32天的批量试验,REFS的AUC值有28天大于GEFS,REFS_MULTI有22天大于REFS_SINGLE,表明REFS的预报技巧好于GEFS,且REFS_MULTI的预报技巧好于REFS_SINGLE。

     

  • 图  1  模式试验区域及地面观测站站点分布

    填色为地形;圆点为站点分布。

    图  2  2019年5月15日—6月15日逐日08时起报的不同集合预报方案24~48 h不同降水类型集合平均累积降水TS评分

    a.小雨;b.中雨;c.大雨。

    图  3  2019年5月15日-6月15日逐日08时起报预报时段为24~48小时的不同集合预报方案累积降水AUC值

    图  4  2019年5月15日-6月15日逐日08时起报不同集合预报方案第48小时预报集合离散度与预报误差的比率

    a. U风;b. V风;c.降水。

    图  5  2019年6月11日08时起报的三组方案控制性预报在24~48 h的预报及实况24 h累积降水分布图

    a. REFS_MULTI方案;b. REFS_SINGLE方案;c. GEFS方案;d.实况。单位:mm。

    图  6  2019年6月11日08时起报的三组集合方案控制性预报在24~48 h预报的降水TS评分

    图  7  2019年6月11日08时起报的三组集合预报方案24~48 h集合平均预报(阴影)和降水的离散度(等值线)

    a. REFS_MULTI;b. REFS_SINGLE;c. GEFS

    图  8  三组集合预报方案24~48 h实况降水与集合平均降水预报的差值(观测-实况)

    图  9  三组集合方案逐6 h累计降水量的RMSE(蓝色)和降水离散度(红色)随预报时效的变化

    图  10  2019年6月11日14时(a)、11日20时(b)、12日08时(c)、13日08时(d)起报的三组集合方案(REFS_MULTI (左)、REFS_SINGLE (中)、GEFS (右))在500 hPa扰动能量随预报时效的演变

    图  11  2019年06月11日08时起报的三组集合方案(REFS_MULTI (左)、REFS_SINGLE (中)、GEFS (右))第36 h的500 hPa风场集合平均扰动与预报误差散点图

    图  12  不同预报时效500 hPa的U分量风Talagrand分布

    从上到下分别为REFS_MULTI、REFS_SINGLE和GEFS方案, 从左到右分别为0 h、12 h、24 h、36 h和48 h预报时效。

    图  13  三组方案不同预报时效500 hPa U风概率均方根误差柱状图

    图  14  预报时段为24~48 h三组集合方案的24小时累计降水量ROC曲线图

    表  1  多物理参数化方案

    方案 方案名称 代码
    云微物理参数化方案 WDM6 1
    Thompson 2
    Morrison 3
    积云对流参数化方案 Kain-Fritsch 1
    BMJ 2
    Grell-Freitas 3
    边界层参数方案 YSU 1
    MYJ 2
    MYNN2 3
    陆面过程参数化方案 Thermal Diffusion 1
    Noah 2
    CLM4 3
    长波辐射参数方案 RRTMG 1
    CAM 2
    GFDL 3
    短波辐射参数化方案 RRTMG 1
    CAM 2
    GFDL 3
    下载: 导出CSV

    表  2  21个集合成员物理参数化方案组合

    成员编号 代码组合
    00 1,1,1,1,1,1
    01 2, 1, 1, 1, 1, 3
    02 3,1,1,1,1,2
    03 1,2,1,1,2,1
    04 2,2,1,1,2,3
    05 3, 2,1,1,2, 2
    06 1,3,1,1,3,1
    07 2, 3, 2, 2, 3, 3
    08 3, 3, 2, 2, 3, 2
    09 1,1,2, 2,1,1
    10 2,1,2,2,1,3
    11 3,1,2, 2,1,2
    12 1,2,2,2,2,1
    13 2, 2, 2, 2, 2, 3
    14 3, 2, 3, 3, 2, 2
    15 1,3,3,3,3,1
    16 2,3,3,3,3,3
    17 3,3,3,3,3,2
    18 1,1,3, 3,1,1
    19 2,1,3, 3,1,3
    20 3,1,3, 3,1,2
    注:代码组合顺序:云微物理参数化方案,积云参数化方案,边界层参数化方案,陆面过程参数化方案,长波辐射参数化方案,短波辐射参数化方案。
    下载: 导出CSV

    表  3  预报观测列联表

    类别 预报发生 预报不发生
    观测发生 a b
    观测不发生 c d
    下载: 导出CSV

    表  4  142019年5月15日-6月15日逐日08时起报不同集合预报方案24~48 h不同降水类型集合平均累积降水TS评分平均值

    试验 小雨 中雨 大雨
    REFS_MULTI 0.3583 0.2084 0.1019
    REFS_SINGLE 0.3525 0.2018 0.1006
    GEFS 0.3242 0.1513 0.0176
    下载: 导出CSV
  • [1] 杜钧, 李俊.集合预报方法在暴雨研究和预报中的应用[J].气象科技进展, 2014, 4(5): 6-20.
    [2] 张涵斌, 陈静, 智协飞, 等.GRAPES区域集合预报系统应用研究[J].气象, 2014, 40(9): 1076-1087.
    [3] 钟有亮, 陈静, 王静, 等莉.GRAPES区域集合预报系统对登陆台风预报的检验评估[J].热带气象学报, 2017, 33(6): 953-964.
    [4] TOTH Z, KALNAY E.Ensemble forecasting at NCEP and the breeding method[J].Mon Wea Rev, 1997, 125(12): 3297-3319.
    [5] 于永锋, 张立凤.基于增长模繁殖法的集合预报初始扰动饱和分析[J].大气科学, 2005(6): 113-122.
    [6] BUIZZA R, PALMER T N.The singular-vector structure of the atmospheric global circulation[J].J Atmos Sci, 1995, 52(9): 1434-1456.
    [7] HOFFMAN R N, KALNAY E.Lag ged average forecasting.an alternative to M onte Carlo forecasting[J].Tellus, 1983, 35A: 100-118.
    [8] FROGNER I L, HAAKENSTAD H, IVERSEN T.Limited-area ensemble predictions at the Norwegian Meteorological Institute[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2006, 132(621): 2785-2808.
    [9] LIU X, COULIBALY P.Downscaling Ensemble Weather Predictions for Improved Week-2Hydrologic Forecasting[J].Journal of Hydrometeorology, 2011, 12(6): 1564-1580.
    [10] ZOBEL Z, WANG J, WUEBBLES D J, et al.High-Resolution Dynamical Downscaling Ensemble Projections of Future Extreme Temperature Distributions for the United States[J].Earth\"s Future, 2017, 5(12): 1234-1251.
    [11] 张涵斌, 李玉焕, 范水勇, 等.基于动力降尺度的区域集合预报初值扰动构建方法研究[J].气象, 2017, 43(12): 1461-1472.
    [12] 庄潇然.对流尺度集合预报中的多尺度初始扰动方法研究[D].南京信息工程大学, 2016.
    [13] 谭燕, 陈德辉.基于非静力模式物理扰动的中尺度集合预报试验[J].应用气象学报, 2007(3): 396-406+418.
    [14] JUN DU, JEFF MCQUEEN, GEOFF DIMEGO, et al.The NOAA/NWS/NCEP short range ensemble forecast(SREF)system: Evaluation of an initial condition vs multiple model physics ensemble approach[C].20th Conf on Weather Analysis and Forecasting.Seattle, WA, Amer Meteor Soc, 2004, 21.3.
    [15] ZHANG, X B, et al.The Impact of Different Physical Processes and Their Parameterizations on forecast of a Heavy Rainfall in South China in Pre-Flooding Season[J].Journal of Tropical Meteorology, 2015, 21(2): 194-210.
    [16] 廖镜彪, 王雪梅, 夏北成, 等.WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验[J].热带气象学报, 2012, 28(4): 461-470.
    [17] 辅天华, 陈海山, 曾智华, 等.积云对流参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响[J].热带气象学报, 2020, 36(2): 254-262.
    [18] 董海萍, 罗雨, 张秀丽, 等.区域集合预报对华南一次暴雨试验研究[J].热带气象学报, 2014, 30(4): 663-674.
    [19] ZHANG, X B.multi-scale characteristics of different-source perturbations and their interactions for convection-permitting ensemble forecasting during SCMREX[J].Mon Wea Rev, 2019, 147(1): 291-310.
    [20] 李俊, 杜钧, 刘羽.北京"7.21"特大暴雨不同集合预报方案的对比试验[J].气象学报, 2015, 73(1): 50-71.
    [21] 刘亚楠, 王东海, 李国平, 等.南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析[J].热带气象学报, 2019, 35(3): 365-378.
    [22] 胡潇文, 王东海.卫星微波观测资料在混合同化中的应用[J].气象与环境科学, 2016, 39(3): 130-138.
    [23] ZHANG X B.Application of a Convection-Permitting Ensemble Prediction System to Quantitative Precipitation Forecasts over Southern China: Preliminary Results during SCMREX[J].Quart J Roy Meteor Soc, 2018, 144: 2842-2862.
    [24] 唐圣钧, 王东海, 杜钧, 等.混合集合预报法在华南暴雨短期预报中的试验[J].应用气象学报, 2015, 26(6): 669-679.
    [25] 陈静, 薛纪善, 颜宏.华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验[J].气象学报, 2003, 61(4): 432-446.
    [26] HUANG L, LUO Y L.Evaluation of quantitative precipitation forecasts by TIGGE ensembles for south China during the presummer rainy season[J].Journal of Geophysical Research.Atmospheres, 2017, 122(16)8494-8516.
    [27] WEI M, TOTHZ, WOBUS R, et al.Initial perturbations based on the ensemble transform (ET) technique in the NCEP global operational forecast system[J].Tellus A 2008, 60(1): 2147483647-0.
    [28] TOTH Z, KALNAY E.Ensemble forecasting at NMC: The generationof perturbations[J].Bull Amer Meteor Soc, 1993, 74(12): 2317- 2330.
    [29] WANG X, BISHOP C H.A comparison of breeding and ensemble transform Kalman filter ensemble forecast schemes[J].J Atmos Sci, 2003, 60(9): 1140-1158.
    [30] EHRENDORFER M, ERRICO R M, RAEDER K D.Singular-Vector perturbation growth in a primitive equation model with moist physics[J].J Atmos Sci, 1999, 56(11): 1627-1648.
    [31] PALMER T N, GELARO R, BARKMEIJER J, et al.Singular vectors, metrics, and adaptive observations[J].J Atmos Sci, 1998, 55(4): 633-653.
    [32] 杜钧, 陈静.单一值预报向概率预报转变的基础:谈谈集合预报及其带来的变革[J].气象, 2010, 36(11): 1-11.
    [33] ECKEL F A, MASS C F.Aspects of effective mesoscale, short-range ensemble forecasting [J].Wea.Forecasting, 2005, 20(3): 328-350, doi:10.1175/WAF843.1.
    [34] JOHN, A, SWETS.The Relative Operating Characteristic in Psychology[J].Science, 1973.
    [35] TALAGRAND O, VAUTARD R.Evaluation of Probabilistic Prediction System[R].Workshop on Predictability ECMWF.1997, 10: 20-22.
    [36] BAKER L, RUDD A, MIGLIORINI S, et al.Representation of model error in a convective-scale ensemble prediction system[J].Nonlinear Processes Geophys.2014, 21, 19-39.
    [37] STENSRUD D J, BAO J W, WARNER T T.Using Initial condition and model physics perturbations in short-range ensemble simulations of mesoscale convective systems[J].Mon Wea Rev, 2000, 128(7): 2077-2107.
  • 加载中
图(14) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  258
  • HTML全文浏览量:  27
  • PDF下载量:  26
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-13
  • 修回日期:  2020-09-02
  • 刊出日期:  2021-01-11

目录

    /

    返回文章
    返回