ISSN 1004-4965

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华南暴雨区域集合预报中不同同化方案的影响试验研究

张凯锋 王东海 张宇 张敏 张少婷

张凯锋, 王东海, 张宇, 张敏, 张少婷. 华南暴雨区域集合预报中不同同化方案的影响试验研究[J]. 热带气象学报, 2022, 38(1): 145-160. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.014
引用本文: 张凯锋, 王东海, 张宇, 张敏, 张少婷. 华南暴雨区域集合预报中不同同化方案的影响试验研究[J]. 热带气象学报, 2022, 38(1): 145-160. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.014
ZHANG Kaifeng, WANG Donghai, ZHANG Yu, ZHANG Min, ZHANG Shaoting. EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF DIFFERENT ASSIMILATION SCHEMES ON ENSEMBLE FORECAST OF TORRENTIAL RAIN IN SOUTH CHINA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(1): 145-160. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.014
Citation: ZHANG Kaifeng, WANG Donghai, ZHANG Yu, ZHANG Min, ZHANG Shaoting. EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF DIFFERENT ASSIMILATION SCHEMES ON ENSEMBLE FORECAST OF TORRENTIAL RAIN IN SOUTH CHINA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(1): 145-160. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.014

华南暴雨区域集合预报中不同同化方案的影响试验研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.014
基金项目: 

国家重点研发计划 2019YFC1510400

国家自然科学基金项目 91837204

广东省基础与应用基础研究重大项目 2020B0301030004

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: P456.7

EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCE OF DIFFERENT ASSIMILATION SCHEMES ON ENSEMBLE FORECAST OF TORRENTIAL RAIN IN SOUTH CHINA

  • 摘要: 基于全球集合预报系统(GEFS)资料,利用WRF中尺度模式及GEFS动力降尺度获取区域集合预报初值场,通过对同化后的分析场进行模式积分实现华南前汛期区域集合预报。对2019年6月10日的一次华南前汛期暴雨过程进行不同同化方案的试验:混合同化(Hybrid)、三维变分(3Dvar)、集合卡尔曼滤波(EnKF)和对比试验(Ctrl)四组试验的对比分析,探讨具有不同背景误差协方差矩阵的同化方案对区域集合预报集合扰动和集合离散随时间演变特征的影响,评估不同试验的降水模拟效果。(1) Hybrid对模式初始场有较好的改善作用,而3DVar和EnKF对初始场的改善作用不明显。(2) 对风场、温度场和湿度场,在前期预报中Hybrid的预报误差小于3DVar和EnKF,在中后期的预报中,3DVar和EnKF的预报误差得到改善,且好于Hybrid。同样,集合扰动能量,Hybrid和Ctrl在前期预报发展好于3DVar和EnKF,而在中后期的预报3DVar和EnKF好于Hybrid和Ctrl。(3) 从24 h累积降水评分中,整体上同化试验好于Ctrl,3DVar和EnKF好于Hybrid,且3DVar对大中雨级别的降水评分较好,而EnKF对暴雨以上级别的降水评分较好。(4) 对于集合统计检验分析,同化试验的AUC值都大于Ctrl的AUC值,24 h累积降水量阈值在10~100 mm的AUC值,3DVar最好;而125 mm阈值的AUC值,EnKF最好。

     

  • 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  试验框架

    a. 循环同化预报流程;b. 3DVar;c. EnKF;d. Hybrid。

    图  3  2019年6月10日06时700 hPa和300 hPa三组同化试验集合平均风场增量的流函数(阴影,单位:m/s)和旋转风(箭头,单位:m/s)

    图  4  2019年6月10日06时700 hPa、500 hPa和300 hPa高度层的三组同化试验集合平均湿度场增量(填色; 单位:%) 和温度场增量(等值线;单位:K)

    图  5  三组同化试验分析场的集合平均均方根误差的空间分布

    图  6  三组同化试验分析场集合平均扰动总能量的空间分布

    图  7  2019年6月10日06时起报的四组试验集合平均的500 hPa扰动能量随预报时效的演变

    图  8  2019年6月10日06时起报的三组同化试验700 hPa风、温度和湿度预报场的均方根误差与对比试验的差值随时间变化

    a. U风;b. V风;c. 温度;d. 相对湿度。

    图  9  2019年6月10日06时起报的四组试验的集合平均预报的0~24 h累积降水的TS(a)和ETS评分(b)

    图  10  2019年6月10日06时起报的集合平均预报0~24 h累积降水空间分布图

    图  11  四组试验逐6 h降水累积量的预报均方根误差和集合离散度随时间的变化

    图  12  2019年6月10日06时起报的四组试验的24 h累计降水量阈值为50 mm的ROC曲线图

    图  13  预报时效为24 h预报场的U风、V风、温度和相对湿度的Talagrand分布

    表  1  本文使用的全球同化系统观测资料表

    数据 数据描述 格式
    1bamua.tm00.bufr_d AMSU-A NCEP-proc. br. temps BUFR
    1bhrs4.tm00.bufr_d HIRS-4 1b radiances BUFR
    1bmhs.tm00.bufr_d MHS NCEP-processed br. temp BUFR
    ssmisu.tm00.bufr_d DMSP SSM/IS 1C radiance data (Unified Pre-Proc.) BUFR
    gpsro.tm00.bufr_d GPS radio occultation data BUFR
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    表  2  四组集合预报成员扰动初值的形成及特点

    试验 初始扰动来源 初始扰动更新 背景误差协方差 更新后的扰动能量范围
    Ctrl 全球集合预报场GEFS
    动力降尺度
    未同化 未同化 0.299~11.015
    3DVar 3DVar同化 静态背景误差协方差 0.305~10.185
    EnKF EnKF同化 集合样本背景误差协方差 0.336~9.717
    Hybrid Hybrid同化 静态背景误差协方差(25%)+集合
    样本背景误差协方差(75%)
    0.315~11.069
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    表  3  预报观测列联表

    预报 观测发生 观测不发生 总计
    发生 a b n1=a+b
    不发生 c d n2=c+d
    总计 n3=a+c n4=b+d n=a+b+c+d
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    表  4  2019年6月10日06时起报的四组试验的24 h累计降水量不同阈值的AUC值

    降水量/mm Hybrid 3DVar EnKF Ctrl
    10 0.697 0.738 0.735 0.690
    25 0.679 0.740 0.728 0.677
    50 0.669 0.745 0.731 0.656
    100 0.701 0.899 0.898 0.701
    125 0.763 0.776 0.911 0.770
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    表  5  第24时预报场的U风、V风、温度和相对湿度的概率均方根误差表

    物理量 Hybrid 3DVar EnKF Ctrl
    T 0.047 88 0.068 76 0.115 99 0.053 31
    V 0.075 19 0.082 78 0.081 34 0.075 22
    U 0.049 47 0.052 41 0.072 44 0.048 88
    RH 0.076 62 0.082 71 0.080 93 0.075 46
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-10
  • 修回日期:  2021-11-18
  • 网络出版日期:  2022-04-12
  • 刊出日期:  2022-02-20

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