ISSN 1004-4965

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东亚季风区集合预报扰动增长的时空不均匀特征分析

吴筱雯 陈静 王婧卓 马雅楠 刘昕 陈法敬

吴筱雯, 陈静, 王婧卓, 马雅楠, 刘昕, 陈法敬. 东亚季风区集合预报扰动增长的时空不均匀特征分析[J]. 热带气象学报, 2025, 41(2): 270-287. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.025
引用本文: 吴筱雯, 陈静, 王婧卓, 马雅楠, 刘昕, 陈法敬. 东亚季风区集合预报扰动增长的时空不均匀特征分析[J]. 热带气象学报, 2025, 41(2): 270-287. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.025
WU Xiaowen, CHEN Jing, WANG Jingzhuo, MA Yanan, LIU Xin, CHEN Fajing. Characteristics of Spatio-temporal Inhomogeneities in the Growth of Ensemble Forecast Perturbations in East Asian Monsoon Region[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(2): 270-287. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.025
Citation: WU Xiaowen, CHEN Jing, WANG Jingzhuo, MA Yanan, LIU Xin, CHEN Fajing. Characteristics of Spatio-temporal Inhomogeneities in the Growth of Ensemble Forecast Perturbations in East Asian Monsoon Region[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(2): 270-287. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.025

东亚季风区集合预报扰动增长的时空不均匀特征分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.025
基金项目: 

国家自然科学基金气象联合基金项目 U2242213

国家重点研发计划课题项目 2021YFC3000902

详细信息
    通讯作者:

    陈静,女,四川省人,研究员,主要从事集合预报技术研发。E-mail:chenj@cma.gov.cn

  • 中图分类号: P425.42

Characteristics of Spatio-temporal Inhomogeneities in the Growth of Ensemble Forecast Perturbations in East Asian Monsoon Region

  • 摘要: 为深入认识东亚季风区集合预报扰动增长的时空变化特征,以更好地改进该区域集合预报扰动结构,基于中国气象局区域集合预报模式(CMA-REPS),利用2021年1—12月集合预报结果,选取扰动能量、离散度和集合一致性等评估指标,对比分析不同纬度风场和温度场集合预报扰动增长的时空变化特征,并分析了一次典型降水过程的集合预报扰动增长特征。(1) 集合预报扰动增长过程中集合离散度时空分布具有纬度带差异和季节特征。离散度大小呈现由北向南递减趋势。在45~60 °N、30~45 °N区域,集合预报离散度的最大值通常出现在春季,这与大气环流季节转换、冷暖空气交汇等相关,具有明显的流依赖特征,而在15~30 °N低纬区域的集合预报离散度最大值则通常出现在夏季,这与台风活动有关。同时值得关注的是青藏高原地区表现为一个集合离散度大值区,可能与青藏高原大地形对预报扰动增长影响有关。(2) 预报扰动增长过程中,集合一致性的时空分布特征与离散度基本一致。45~60 °N、30~45 °N中高纬度区域的集合一致性在春季更接近1;在15~30 °N低纬地区,集合一致性夏季更接近1,但各季节一致性均明显偏小。(3) 集合预报扰动能量及其增长率的垂直分布同样具有显著的纬度差异和季节差异。在45~60 °N、30~45 °N中高纬度区域,扰动总能量在高层和低层存在大值区,最大值出现在春季;在15~30 °N低纬区域扰动总能量偏小且随高度变化不明显,而且各季节扰动能量增长率也偏小,说明需要特别发展低纬区域集合预报扰动方法。集合预报扰动增长表现出的季节性、流依赖性和区域变化等特征,表明东亚季风区的集合扰动方法需要针对不同纬度和不同季节进行分别研究,尤其需要关注低纬区域集合预报扰动结构调整。

     

  • 图  1  2021年1月(a~c)、4月(d~f)、7月(g~i)、10月(j~l)东亚季风区500 hPa纬向风的离散度随预报时效(24 h:a、d、g、j;48 h:b、e、h、k;72 h:c、f、i、l)变化图

    填色为离散度,单位:m·s-1,等值线为500 hPa月平均高度场。

    图  2  图 1,但为500 hPa温度场离散度(单位:℃)

    图  3  2021年500 hPa纬向风(a)24 h、(b)48 h和(c)72 h时效逐月平均离散度变化(单位:m·s-1)

    图  4  图 3,但为温度场(单位:℃)

    图  5  2021年1月(a~c)、4月(d~f)、7月(g~i)、10月(j~l)500 hPa纬向风的集合一致性随预报时效(24 h:a,d,g,j;48 h:b,e,h,k;72 h:c,f,i,l)变化图

    图  6  图 5,但为500 hPa温度场

    图  7  冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)500 hPa纬向风区域平均一致性随预报时效的变化

    图  8  图 7,但为500 hPa温度场区域平均一致性

    图  9  2021年1月(a~c)、4月(d~f)、7月(g~i)、10月(j~l)代表性季节集合成员平均的扰动总能量(DTE,单位:J·kg-1) 垂直分布随时效演变

    a、d、g、j为中高纬度地区(RH区域),b、e、h、k为中纬度地区(RM区域),c、f、i、l为低纬度地区(RL区域)。

    图  10  2021年不同区域1、4、7、10月平均的扰动动能(DKE,a,单位:J·kg-1)、扰动内能(DPE,b,单位:J·kg-1)12~72 h增长率垂直分布

    图  11  RH区域(a、d)、RM区域(b、e)和RL区域(c、f)平均扰动动能(a~c)和扰动内能(d~f)12~72 h时效内增长率(单位:h-1)垂直分布随季节变化

    图  12  2021年7月19日(00 UTC起报)东亚季风区500 hPa纬向风(a~c)和温度场(d~f)的离散度随预报时效(24 h:a、d,48 h:b、e,72 h:c、f)变化图

    填色为离散度,单位分别为m·s-1、℃,等值线为500 hPa高度场,箭头为850 hPa风场。

    图  13  2021年7月19日(00 UTC起报)500 hPa纬向风(a)、经向风(b)和温度场(c)区域平均一致性随预报时效的变化

    表  1  CMA-REPS区域集合预报系统参数配置

    参数项 参数配置
    预报模式 CMA-MESO V4.3
    水平分辨率/垂直层次 0.1 °×0.1 °,L50
    模式积分区域 70~140 °E,10~60 °N
    初值扰动方案 集合变换卡尔曼滤波方法(ETKF)
    模式物理扰动 随机物理倾向扰动方法(SPPT)
    侧边界扰动 NCEP-GFS和CMA-GEPS混合背景场
    集合成员数 1个控制预报+14扰动预报
    预报时效 72 h
    注:CMA-MESO V4.3模式详见沈学顺[65],ETKF初值扰动方法见张涵斌等[44],SPPT随机物理倾向扰动方法见袁月等[40]
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    表  2  不同季节不同区域与全区域500 hPa纬向风离散度的差异q

    区域 1月 4月 7月 10月
    24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h
    全区域离散度 1.64 2.16 2.81 2.10 3.09 4.03 1.95 2.38 2.84 1.72 2.15 2.63
    RH差值 0.08 0.54 0.77 0.32 1.14 1.58 0.11 0.36 0.62 -0.06 0.22 0.56
    RM差值 0.15 0.16 0.26 0.11 -0.07 0.00 0.04 0.00 -0.11 0.07 0.08 0.05
    RL差值 -0.22 -0.73 -1.15 -0.40 -1.17 -1.81 -0.13 -0.30 -0.42 -0.04 -0.26 -0.57
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    表  3  不同季节不同区域与全区域500 hPa温度场离散度的差异

    区域 1月 4月 7月 10月
    24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h 24 h 48 h 72 h
    全区域离散度 0.45 0.67 0.93 0.59 0.99 1.40 0.50 0.64 0.78 0.44 0.59 0.78
    RH差值 0.01 0.14 0.22 0.18 0.54 0.81 0.04 0.18 0.28 0.01 0.13 0.25
    RM差值 0.04 0.07 0.10 0.00 -0.13 -0.20 0.04 0.02 0.00 0.05 0.05 0.06
    RL差值 -0.06 -0.23 -0.38 -0.17 -0.52 -0.86 -0.08 -0.19 -0.29 -0.06 -0.18 -0.33
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-08
  • 修回日期:  2025-01-18
  • 刊出日期:  2025-04-20

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