（气象学专业论文）基于副高活动的t213模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 基于副高活动的1 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 中文摘要 为了检验t 2 1 3 l 3 1 模式的性能与产品的质量，了解其在东亚地区的实际可预 报性，本文用该模式2 0 0 4 年7 9 月三个月的资料，计算了五个气象要素场各五 个层次上的标准误差，从而对预报技巧变化的特征和规律作了初步探讨。并对在 所有个例排名中其2 4 h 预报技巧高而4 8 h 预报技巧低的这些不稳定个例做了天气 形势分析，研究其产生的原因。另外分析了标准误差变化与西太平洋副热带高压 变动的关系。 结果发现：( 1 ) 五个要素场各个层次上逐日预报的标准误差值都随着预报 时效的延长而增大；且4 8 h 预报的标准误差值的变化幅度比2 4 h 预报的变化幅度 偏大，表明总体上4 8 h 的预报技巧更不稳定。但各要素场各个层次上，2 4 h 预报 和4 8 h 预报的标准误差值曲线在2 0 0 4 年7 - 9 月都有类似的变化趋势，大部分个 例表现出在所有个例排名中其2 4 h 预报技巧的高低与4 8 h 预报技巧的高低相一致 的特征a ( 2 ) 存在少数个例在所有个例排名中其2 4 h 预报技巧高而4 8 h 预报技巧 较低甚至很低，经分析得到主要原因是这些个例2 4 小时的天气形势变化较小， 而4 8 小时的天气形势却变化很大甚至有突变。( 3 ) 5 0 0 h p a 高度场上2 4 h 预报的 标准误差值曲线的峰值谷值与副热带高压特征指数的变化有一定的相关性。 关键词：t 2 1 3 模式，可预报性，标准误差，预报技巧，副热带高压，统计检验 浙江人学硕仁学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 a b s t r a c t i no r d e rt oc h e c k o mt h ep e r f o r m a n c eo fm o d e l1 2 1 3a n dt h eq u a l i t yo fi t s p r o d u c t s ，a n du n d e r s t a n di t sp r e d i c t a b i l i t yi ne a s ta s i a , i tc a l c u l a t e ss t a n d a r de r r o ro f t h eg i v e nf i v ef i e l d si nf i v ed i f f e r e ml a y e r sw i t ht h em o d e l sh i s t o r i c a ld a t af i o mj u l y t os e p t e m b e ri n2 0 0 4 i ta l s oi n i t i a l l yd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr u l eo ft h e f o r e c a s ts k i l lc h a n g e i na d d i t i o n , i ta n a l y s e st h es y n o p t i cs i t u a t i o no ft h eu n s t a b l e p r e d i c t i o nc a s e st h a t2 4h o u r s f o r e c a s ts k i l li sh i 曲b u t4 8h o u r s i sq u i 钯l o wi nt h e p l a c eo fa l lc a s e s ，a n dr e s e a r c h e st h e i rr e a s o n s a tl a s t , i ta n a l y s e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec h a n g e so f s t a n d a r de r r o ra n dt h em o v e m e n t so f s u b t r o p i c a l a n t i c y c l o n e r e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h es t a n d a r de r r o ro fd i f f e r e n td e m e n t si nd i f f e r e n tm y e r s b e c o m e sw o i s ca l o n gw i t hf o r e c a s tt i m el e n g t h e n i n g a n dt h ec h a n g i n gs c o p eo f s t a n d a r de = f r o ro f 4 8h o u r s p r e d i c t i o ni sl a r g e rt h a n2 4h o u r s p r e d i c t i o n , s h o w i n g4 8 h o u r s f o r e c a s ts k i l l i sm o r eu n s t a b l e b u ti ne v e r yl a y e ro f e v e r ye l e m e n t t h es t a n d a r d e r r o rc u r v e so f 2 4h o u r s p r e d i c t i o na n d4 8h o u r s p r e d i c t i o nh a v es i m i l a rv a r y i n gt r e n d f r o mj u l yt os e p t e m b e ri n2 0 0 4 a n dm a j o r i t yo ft h ec a s e sd i s p l a yt h a ti t s2 4h o u r s 。 f o r e c a s ts k i l la n d4 8h o u r s a r ec o n s i s t e n ti nt h ep l a c eo fa l lc a s e s ( 2 ) t h e r ea r es t i l l m i n o r i t yc a s e st h a t2 4h o u r s p r e d i c t i o na r es a t i s f y i n gb u t4 8h o u r s 。p r e d i c t i o na l en o t v e r yi d e a l 1 1 1 em a i nr e a s o no ft h ea b o v ei n s t a n c ei st h a t2 4h o u r s s y n o p t i cs i t u a t i o n c h a n g eo ft h e s ec a s e sa l es l i g h t ，b u t4 8h o u r s a r el a r g ee v e ns u d d e n ( 3 ) i n5 0 0 h p a h e i g h tf i e l d ，t h ep e a kv a l u e sa n dv a l ev a l u e so ft h es t a n d a r de r r o rc u r v eo f2 4h o u r s p r e d i c t i o na n dt h em o v e m e n to fs u b t r o p i c a l a n t i c y c l o n eh a v es o m er e l e v a n c ef r o mj u l y t os e p t e m b e ri n2 0 0 4 k e yw o r d s ：m o d e l1 2 1 3 ，p r e d i c t a b i l i t y ，s t a n d a r de r r o r , f o r e c a s ts k i l l , s t a t i s t i ct e s t , s u b t r o p i e a l a n t i e y e l o n e 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：砸日期：兰霉聋翊易a 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研 究生部办理。 研究生签名：珏! 婪 导师签名；日期：盈垒! i 组 m 浙江大学硕士学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 第一章绪论 数值天气预报始于1 9 2 1 年r i c h a r d s o n 第一张数值天气形势预报图的问世。 自那时以来，数值天气预报技术经历了从l f r i c h a r d s o n 的“原始方程模式“” 至c h a r n e y 、f j o r t o f t 和v o nn e u i a n 的“滤波简化模式”翻，再到c h a r n e y 、 s m a g o r i n s k y 、m a n a b e 、k u o 、h a l t i n e r 等改进的“原始方程模式”的过程州， 并在继续发展着。在这个发展过程中，数值模式的水平分辨率由几百公里提高到 了目前的几十公里至几公里，垂直分层也从一层提高到了几十层：并且模式的物 理过程越来越完善。由于数值天气预报方法嘲是从大气内部的物理规律( 大气动 力学、热力学、质量守恒、水相变化规律等) 出发，建立数学物理模型，用数学 物理方法并借助巨型计算机技术来预测未来天气变化的方法，所以它比天气学 ( 定性) 预报方法以及结合数理统计学的统计天气预报方法更有优势，也更受到 气象工作者的青睐。如今，数值模式不但应用于短期和中期预报，而且在短时预 报、临近预报和月季年短期气候预测方面也不断得以推广。另外，数值预报的对 象也从大尺度天气系统扩展到多种时空尺度的大气运动，利用数值模式预报暴 雨、台风等已成为天气预报不可缺少的手段。总之，随着数值预报产品的不断丰 富，数值天气预报已成为现代天气预报的基础。 与此同时，对大气的可预报性研究和对模式的预报技巧研究也一直在进行 着。大气是一个非常复杂的非线性系统，其预报时效有一定的范围，超出这个范 围预报将完全失去技巧。大气过程的这种可预报性具有客观存在性，是大气固有 的属性，对它的研究很有必要。可预报性理论研究的主要内容包括：确定和估计 可预报时效的大小，探索造成可预报时限的物理原因，研究误差增长和传播的规 律，寻找延长模式可预报时效的途径等。从t h o m p s o n “”和l o r e n z “”“4 开创确定 性系统的可预报性研究以来，关于大气的可预报性研究已经有了很多工作“”： s m a g o r i n s k y ( 1 9 6 9 ) 应用g f d l 9 层原始方程模式的试验，得出可预报限度为2 0 天的估计；l o r e n z ( 1 9 6 9 ) 直接从大气实际过程入手得出的误差倍增时间和可预 报限度同模式的数值试验结果相近，为1 至2 周；g r l n a s s ( 1 9 8 5 ) 发现当大西 洋阻塞持续稳定，且切断低压深厚时，欧洲区域中期数值预报一般有较高的评分， 而在纬向气流盛行时，预报评分较低：谭季青( 1 9 9 3 ) 研究了t 4 2 l 9 模式的预报 技巧问题，指出环流的持续或突变只是影响预报技巧的一个因子，当环流发生突 变时，预报往往不成功：等等。这些研究大大加深和丰富了人们对可预报性问题 的认识，也深化了人们对大气运动本身和其演变规律的理解。 虽然数值天气预报技术经过8 0 多年的发展取得了很大的成效，可预报性研 究也有不小的进展。但由于大气是一个非常复杂的非线性系统，数值预报时效提 浙江大学硕七学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 高很慢，预报结果也很不稳定。以欧洲中心中期数值预报模式为例“”，在过去 2 0 一3 0 年里，其可用时效每十年才提高一天，而且再要延长就越来越困难。还有， 不同的数值模式对同一次天气过程的预报可能相差很大。然而，对大气过程的实 际可预报性的研究到目前为止还很少，这方面的工作主要有：谭季青“”提出了一 种灰色预报模型来预报预报技巧；1 4 , 萍“”对t 2 1 3 模式的可预报性进行了检验 评价等。所以，为了更好地提高数值天气预报的水平，有必要对大气的实际可预 报性研究继续深入开展下去。 另外，西太平洋副热带高压的活动与我国东部地区的天气有十分密切的关系， 其南北、东西位置的变化对中国不同区域旱涝及寒暑影响尤其重大。西太平洋酗 高北跳或南撤以及它的持续停留，直接决定了中国华南、长江流域及华北地区的 雨带长短或旱涝情况”“。作为影响我国天气的一个重要天气系统，西太平洋副 高历来为中国气象学家所重视，对它的研究也很多，总体上可分为两大类：一类 是研究副商自身结构、活动规律及其对天气气候的作用。；另一类是对影响 副高活动因子的研究( 如环流因子、高原作用、东亚季风、海温等“3 ) 。这些研 究对提高副高的预报水平有一定的帮助，但是提高也是有限的，副高的预报水平 仍有待进一步提高。所以，从副高变动的角度对东亚地区的实际可预报性进行研 究很有必要。 i i 本课题研究的目的和意义 根据以上所述的情况，如果我们把基于副热带高压活动下t 2 1 3 模式在东亚地 区的预报技巧做一个总体的研究分析，并找出评分特别低和特别高的个例，那么 可以试图寻找预报水平和副高活动之间的关系，从恧为可预报性研究提供必要的 分析资料，通过这些工作。至少我们可以指出副高活动中那些比较差的预报结果， 给用户一个警示；而对那些好的预报结果，以期经过分析研究来延长预报时效。 这就是本课题所期望达到的目的。 t 2 1 3 l 3 1 模式是国家气象中心数值室在引进的欧洲中期天气预报中心1 f s ( i n t e g r a t e df o r e c a s t i n gs y s t e m ) 模式框架的基础上，经过移植改造和开发 与之匹配的最优插值资料分析同化方案、模式后处理方案、大规模并行机环境下 的自动化运行流程及作业监控方案等，解决了大量模式系统开发和业务化过程中 的技术问题，形成了我国新一代全球中期数值预报业务系统。t 2 1 3 中期数值预报 系统于2 0 0 2 年9 月1 日起在国家气象中心正式业务化。由于t 2 1 3 模式是新一代 的数值预报产品，目前对其研究还不多。而考证它的质量是有效应用的重要步骤， 为了该产品今后的改进和让预报员对该产品有更深入的认识，对t 2 1 3 数值预报 2 n 链多浙江大学硕仁学位论文基于副高活动的r 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 产品的检验是很有必要的，也是很有意义的。 另外，在全球气候趋暖的大背景下，以及我国多年局部地区夏季高温酷暑的 情况下，准确的预报副高是关系我国国民经济建设和社会民生的重要问题。然而 虽然目前国内对西太平洋副高的研究工作比较多，但是基于副高活动的可预报性 研究尚未开展。研究副商活动和t 2 1 3 模式预报评分的关系，将揭示副高活动对 模式预报技巧的影响，同时可以由此提高模式对副高的预报水平。 本文是在东亚大尺度天气过程的实际可预报性研究国家自然基金课题下 开展的一些工作。西太平洋副热带高压作为一个对我国天气和气候影响很大的东 亚大尺度天气过程，对它的实际可预报性研究势在必行。本文的目的是以国家气 象中心的t 2 1 3 l 3 1 模式预报实践为基础，考证t 2 1 3 数值预报产品的质量。从而 了解预报技巧变化的特征、规律和关联因子，以及副高活动和预报技巧变化的关 系等。 i 2 本课题研究的主要内容和方法 本课题研究的主要内容是：( 1 ) 从整体上了解2 0 0 4 年7 - 9 月t 2 1 3 模式的实 际可预报性；( 2 ) 选出所有个例排名中2 4 小时预报技巧高而4 8 小时预报技巧低 的那些个例，研究其预报结果产生的原因；( 3 ) 对于各个副高活动期，探讨t 2 1 3 模式的实际可预报性以及副高活动和预报技巧变化的关系。 研究的主要方法是：选用t 2 1 3 模式的5 个层次( 2 0 0 h p a 、5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、 8 5 0 h p a 、1 0 0 0 h p a ) 各要素场( 高度场、温度场、比湿场、u v 风场) 的预报产品 序列资料和初始场资料，样本取自2 0 0 4 年7 、8 、9 月三个月每天2 0 点的上述预 报产品序列资料，检验范围是0 - 1 8 0 。e 、0 - 9 0 。n 。 首先计算t 2 1 3 模式上述要素场各个层次2 4 、4 8 h 预报场的标准误差，并用统 计软件画出各要素场各个层次的标准误差变化图进行分析，找出所有个例排名中 2 4 小时预报技巧高而4 8 小时预报技巧低的个例，然后对上述个例做天气诊断研 究。最后对逐日预报个例进行统计分类。对照副高活动异常的时间，寻找副高活 动和预报技巧变化的关系。 3 浙江丈学硕士学位论文基于副商活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 第二章文献综述 传统的天气预报方法，如天气学( 定性) 预报方法跏和统计天气预报方法嘲， 在相当程度上依赖于预报员的经验和主观判断，因此在一定程度上存在不客观、 不定量的缺点。数值天气预报嘲是建立在更加坚实的理论基础上，寻求一种较为 客观定量的预报方法。这种方法是利用建立在大气动力学基础上的数值天气模 式，并给定某一时刻大气的初值和合适的边界条件，从而在计算机上模拟未来几 天大气的演变。1 。因此数值天气预报实际上就是初值和边值问题。也就是说，数 值天气预报。1 是从大气内部的物理规律( 大气动力学、热力学、质量守恒、水耜变 化规律等) 出发，建立数学物理模型，用数学物理的方法，并借助巨型计算机技 术，预测未来天气的变化。 然而大气系统是一个极其复杂的强迫耗散非线性动力系统，对初始误差非常 敏感，初始场微小尺度的扰动可能迅速增长，通过非线性相互作用向大尺度传播 放大，这使得大气的运动存在可预报的极限。即由于小尺度现象的不确定性， 进行数值积分所用到的初始场不可避免地与真实大气状态之间存在微小的误差， 而大气内部的动力不稳定与非线性相互作用将这种初始误差随时间的延长而放 大，最终使整个大气运动变得不确定。这种现象导致了在用初始场对动力模式进 行积分的过程中，确定论的逐日天气预报存在一个可预报的限度，就是逐日天气 预报的可预报性。大气的可预报性研究就这样伴随着数值天气预报模式的发展而 发展的。 2 1 数值天气预报研究的历史与现状 1 0 0 年前，挪威学者b j e r k n e s 口”在世界上首次对数值天气预报理论作了非常 明确的表述，认为大气的未来状态原则上完全由大气的初始状态、已知的边界条 件和大气运动方程、质量守恒方程，状态方程、热力学方程所共同决定。换句话 说，在给定大气初始状态和边界条件下，通过求解描述大气运动变化规律的数学 物理方程组，可以把未来的天气“较精确地计算出来”。此后，英国科学家 r i c h a r d s o n “1 首次提出直接用“数值积分”这些方程的方法求解这一问题，制作 出了世界上第一张6 h 地面气压数值预报图( 时阃积分为t 9 t o 年5 月2 0 日0 4 1 0 世界时) 。可是，这张地面气压预报图“预报”的6 h 气压变化为1 4 6 h p a ，实 际观测气压几乎没有多大变化，从精度上看该预报毫无“参考”价值，而且其计 算时间花了将近一个月，从时效上也已毫无“预报”意义了。然而，c h a r n e y 嘲 认为：“他的研究工作的真正价值在于暴露了后来该领域研究工作者都必须面对 4 浙江人学硕i 二学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 的所有关键问题，并为这些问题的解决奠定了工作基础。” 此后，随着三大波动( 声波、重力波、天气慢波) 理论的发展，地面和高空 观测密度、范围的增加以及大容量、高速电子计算机的出现，数值天气预报模式 得到新的发展。1 9 5 0 年，c h a r n e y “1 等借助美国世界首台电子计算机e n i a c ，用滤 掉( 或不包括) 重力波和声波的准地转平衡( q u a s i g e o s tr o p h i c ) 滤波一层模 式，成功地制作出了5 0 0 h p a 高度场形势2 4 h 预报，从而开创了数值天气预报滤 波模式时代。继c h a r n e y 等。1 的成功之后，r o s s b y 也成功地利用瑞典制造的、当 时世界上强大的“b e s k ”计算机，再现了c h a r n e y 等“1 的数值预报试验。 随后气象学家发现滤波模式太简化，从而又将研究转向原始方程模式。还是 c h a r n e y 等。“”采用r i c h a r d s o n 当初尝试过的非滤波原始方程，通过小时间步长、 初始水平散度取为零的正压原始方程模式，成功地证明了原始方程模式用于数值 天气预报中是可行的。另外从2 0 世纪6 0 年代中期起，通过s m a g o r i n s k y “1 、 m a n a b e t m 、k u o “等的研究，次网格物理过程参数化的重要性得到了确定，也逐步 走向成熟。从而数值天气预报模式进一步发展。1 9 6 5 年，s m a g o r i n s k y ”1 等提出 了当时较高分辨率的9 层大气环流模式，数值试验结果表明该模式的设计构造是 成功的，这是在数值天气预报模式设计上取得的重大突破，为现代数值天气预报 模式的研究与应用奠定了重要基础。 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，随着计算机及通信业的飞速发展，数值天气 预报有了进一步提高，形成了比较完善的业务系统1 。1 9 9 1 年e c m w f 首先将其全 球模式的水平分辨率从t 1 0 6 ( 约1 2 0 k m ) 提高到t 2 1 3 ( 约6 0 k i n ) ，垂直层数从1 9 层增加到3 l 层。美国国家气象中心中期数值预报模式也在1 9 9 5 年水平分辨率从 t 1 2 6 升至t 1 7 0 ，垂直层数从2 8 层提高到4 2 层。日本气象厅全球预报模式1 9 9 6 年由t 1 0 6 l 2 1 升级到t 2 1 3 l 3 0 ，即水平分辨率从约1 2 0 k m 提高到6 0 k m ，垂直分辨 率从2 1 层增加到3 0 层。 经过一个世纪的数值天气预报理论研究和半个世纪的业务化应用实践，数值 天气预报取得了迅速的发展。最近1 0 多年来，大气科学以及地球科学的研究进 展，高速度、大容量的巨型计算机及其网络系统的快速发展，加快了数值天气预 报的发展步伐脚“。在这一发展过程中，一方面，数值预报水平和可用性在大大 提高，天气形势可用预报目前达到甚至超过7 d ；制作更精细的数值预报也已成为 可能，数值模式的应用领域从中短舰天气预报拓展到短期气候预测、气候系统模 拟、短时预报以及临近预报。 因此数值天气预报能力和数值计算能力的发展提高是飞速的，但是数值天气 预报产品的预报技巧改进方面却远不及预报能力和计算能力提高得那么快。主观 上，我们在日常生活中感受到3 天以上的天气预报准确率不高；客观上，王小萍 浙江丈学硕l 学位论文 基于副高活动的1 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 等曲6 1 的研究发现t 2 1 3 模式7 2 小时的预报技巧( a c c ) 优档所占比例明显比2 4 小 时预报和4 8 小时预报豹少。 2 2 可预报性理论研究进展 可预报性问题的系统研究开始于2 0 世纪6 0 年代，研究的一个主要目的是对 所谓决定论预报的可能时效做出科学的估计，为当时正进行的全球大气研究计划 ( g r a p ) 它的重要目的是发展中期数值天气预报提供依据，避免盲目性。 经典可预报性理论”1 指出：实际大气中，由于正压不稳定和斜压不稳定现象的存 在，小尺度扰动通过非线性相互作用，就可以影响天气尺度甚至行星尺度的运动。 这种过程的存在会使得数值天气预报的初始误差扰动增长，并在水平方向上传 播，超过一个时间界限后，则预报结果与实况相距甚远而变得毫无意义。 2 2 1 大气过程的可预报性研究进展 大气系统是一个极其复杂的强迫耗散非线性动力系统，对初始误差非常敏感。 初始场微小尺度的扰动可铯迅速增长。通过菲线性相互作用向大尺度传播放大， 这使得大气的运动存在可预报的极限。即由于小尺度现象的不确定性，进行数 值积分所用到的初始场不可避免地与真实大气状态之间存在微小的误差，而大气 内部的动力不稳定与非线性相互作用将这种初始误差随时问的延长而放大，最终 使整个大气运动变得不确定。这种现象导致了在用初始场对动力模式进行积分的 过程中，确定论的逐日天气预报存在一个可预报的限度，就是逐日天气预报的可 预报性。 大气过程的可预报性闯题是在大气动力学预溺方法基础上提出来的，大气过 程可预报性的研究真正始于2 0 世纪5 0 年代动力数值天气预报模型的建立。1 9 5 7 年，t h o m p s o n “”首次提出了数值天气预报的可预报性问题。以后，l o r e n ze 螂、 l e i t h 啪1 以及p a l m e r 1 等完成了一系列大气可预报性的理论研究工作。他们的研 究结果一致表明，由于初始观测资料和数值模式的误差，大气过程的确定性预报 时效是有限的，大尺度天气形势数值预报最长不超过两周。而l e i t h “”则通过显 示一些不稳定真实大气的实例对上述观点提出了质疑，他认为由于一个大气阻塞 状态通常会持续四周以上，因而可预报极限可以大于两周。 以上这些可预报理论只强调这个界限存在的必然性，而对局地可预报性及何 种扰动最易使误差不稳定增长等一系列实际问题没有做进一步的研究，而这些正 是实际业务预报中主要关心的问题。因此之后一段时间关于可预报性的研究，大 部分都结合业务模式和具体天气形势来展开。这些研究主要是通过分析实际资料 6 浙江大学硕士学位论文基于副高活动的1 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 以及应用各种数值模式进行数值试验，资料的精确性和模式构造的可靠性问题对 于大气系统的可预报性研究有很大影响。例如，s m a g o r i n s k y 【4 2 1 应用g f d l 的九层 原始方程模式的实验表明前7 天误差随时间呈指数增长，其倍增时间为2 5 天； 随着误差增长，其增长速度减小，表现出非线性过程，给出的可预报时间约为8 天。l o r e n z 1 用2 8 个波的二层斜压模式进行了数值试验，发现误差增长随着“天 气形势”有很大的变化，有些4 天内几乎没有增长，而某些4 天中增长了1 0 倍。 平均来看，风场和温度场的误差倍增时间大约是4 天，从当前的观测精度来看， 这意味着能作一个星期左右的预报。 近年来，非线性动力学的兴起为可预报性问题的研究提供了新的观点和方法。 就国内气象学家这方面的理论研究主要有：( 1 ) 相应于l o r e n z m l 提出用线性奇异 向量理论研究大气运动的可预报性问题，穆穆“”提出了非线性奇异向量和非线性 奇异值的概念，这是对线性奇异向量和线性奇异值的推广。而且穆穆和王家城嘲 采用二维正压准地转模式，用数值方法求得了不同基态的非线性奇异向量来研究 大气运动的可预报性问题。( 2 ) 为了克服传统的点映射观念对系统作全局特征分 析所碰到的困难，丑纪范首先提出引入胞映射理论来研究这种方法可以用来定 量研究可预报性问题，并得到无穷多种初值下系统的全局可预报期限，等等。 上述利用非线性动力学对可预报性的研究都是理论上的，关于大气的实际可 预报性问题，气象学家也作了很多研究。例如，s h u k l a “”的研究指出，南半球的 可预报性衰减明显比北半球快，这与m i y a k o d a 呻1 的实验结果相同，他们认为这与 南北半球的下垫面差异有关。t i b a l d i “”给出了4 年e c m w f 可预报性的逐月变化， 最大值出现在冬季，最小值在夏季。v a l l i s t 鲫研究了斜压性对可预报性的影响。 陈明行、纪立人“1 用数值试验方法对模式预报中误差增长的物理机制作了初步研 究。结果表明，初始误差的大小直接影响以后的误差增长，相比而言，初始误差 的随机分布形态影响很小。小尺度误差自身增长较快，并通过各尺度之间的非线 性相互作用向大尺度和行星尺度误差转移，促使整个系统的误差增长。地形对可 预报性的影响与初始误差的特征尺度有关，当初始误差特征尺度为小尺度( 8 2 l 波) 时，地形加强误差增长；初始误差为行星尺度( o 一3 波) 时，地形抑制误差 增长。另外，在初始误差相同时，北半球误差增长较南半球快。这些研究表明， 影响预报技巧的因素很多，初始场的环流状况的稳定因子、误差的地理分布和局 地特征的差异等都能对预报技巧产生影响。但总的来说，非线性动力学应用于可 预报性的研究还比较少。 2 2 2 t 2 1 3 模式的实际可预报性研究现状 数值模式是通过一系列的数学物理方法来描述真实大气，并作出未来的天气 7 浙江人学硕上学位论文基于副高活动的1 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 预报的。l o r e n z 等提出逐日天气预报的最大时效为两周左右，但是现在的中期数 值天气预报模式预报时间最长的也就1 4 天( 欧洲中心的预报) ，而且比较可信的 预报结果只有1 0 天左右。这说明现有的几十个数值模式都具有物理上相似的系 统偏离，它们既无严格的统计意义，也不符合系统的统计物理条件。 我国国家气象中心的新一代中期数值预报系统t 2 1 3 也存在类似的问题。 t 2 1 3 l 3 1 数值预报业务系统0 2 1 是国家气象中心数值预报室在引进的欧洲中期天气 预报中心i f s 模式框架基础上，经过移植改造和自行开发形成的新一代全球中期 数值预报业务系统。t 2 1 3 l 3 1 谱模式的水平分辨率由t 1 0 6 的1 2 0 k m 提高到6 0 k m ， 垂直层次由1 9 层提高到3 1 层，水平和垂直分辨率比t 1 0 6 提高约一倍。模式包 含一整套比较先进的物理过程，包括辐射方案、次网格尺度、地形拖曳、积云对 流参数化、湍流扩散、云和大尺度降水以及土壤和陆面过程。模式还采用高效的 计算方法，如半隐式一半拉格朗日方法、精简格点、分布并行算法等现代技术， 能够在分布式内存体系结构的并行计算机系统上高效运行。模式的创新点是可以 使用约化格点( h o t t a l 和s i m m o n s ，1 9 9 1 ) ，每个纬圈格点数不相同以保持格点 之间的距离近似相等。2 0 0 2 年9 月1 5 日，该模式正式投入了业务使用，从而取 代t 1 0 6 成为气象部门新的预报工具。 与t 2 1 3 模式相关的模式的可预报性，前人已做过不少研究。例如谭季青等删 对t 4 2 l 9 模式5 0 0 h p a 高度场的预报技巧进行了统计分析，并用一个简单的正压 准地转谱模式对两个典型个例的正压不稳定性进行了研究。结果发现，北半球 5 0 0 h p a 高度场第五天的预报与初始场的某些经验正交函数的典型场有关，而且预 报技巧与初始场的稳定性及其误差和背景场的配置有关。李志锦等1 对国家气象 中心t 4 2 l 9 模式北半球5 0 0 h p a 高度场业务预报结果研究了不同球谐函数谱分量 和经验正交函数( e o f ) 谱分量的可预报性。对球谐函数谱分量的研究表明可预报 性并不是随着空间尺度的增加呈现单调的递减关系，而是随着e o f 指数( 即序号 数) 的增大，可预报性依次减小。进一步分析表明，最可预报的分量对应大气运 动的慢变流型。李狮等“1 针对9 2 1 0 工程m i c a p s 系统中t 1 0 6 谱模式的客观分析 场和预报场的可预报性进行了初步诊断，定量分析比较了t 1 0 6 、欧洲中心e c m w f 、 华盛顿k e b c 和日本j a p a n 数值模式对天气环流形势和预报的统计误差，并初步 探讨了模式误差的自身预报问题。王小萍等“”对t 2 1 3 模式产品的质量进行了诊 断分析，结果表明各个要素场的标准误差在中高纬度较大，其它地区沿南北方向 减小，但5 0 0h p a 高度场标准误差由北到南逐渐减小；中纬地区相关系数普遍较 好，低纬地区较差。另外，谭季青等“”基于灰色系统控制理论对国家气象中心 t 4 2 l 9 模式北半球5 0 0 h p a 高度场1 2 0 h 预报技巧的预报进行了研究，王小萍等啪1 设计了基于支持向量机的预报技巧的预报模型对t 2 1 3 模式5 0 0 h p a 高度场的预报 8 浙江大学硕士学位论文基于副商活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 技巧的预报进行了研究。他们的研究结果表明，这两个预报模型可以较好地反映 预报技巧变化的趋势，将其应用于预报技巧的预报是可行且有意义的。 不过对t 2 1 3 模式的相关场预报技巧的研究工作目前还是比较少。而考证t 2 1 3 模式数值预报产品的质量是有效地应用该产品的重要步骤，为今后产品的改进和 预报员的预报提供更深入的认识基础，对t 2 1 3 数值预报产品进行进一步检验是 有必要的。 2 3 西太平洋副热带高压研究概况 多年观测事实表明，西太平洋副高是常年存在的，它是一个稳定而少动的暖 性深厚系统哺6 1 。西太平洋副高除在盛夏偶有南北狭长的形状外，一般长轴都呈西 西南一东东北走向。其强度和范围，冬夏有很大的不同。在对流层的中、下层， 西太平洋副高的主体一般位于海洋上，而西端的脊伸达我国沿海；夏季可伸入大 陆，冬季在南海上空形成独立的南海高压。天气实践指出，它直接影响我国天气 的主要是伸向我国大陆的一个脊，当然有时也可以在我国沿海或陆上出现闭合的 高压单体。 西太平洋副高的活动与我国东部地区的天气有十分密切的关系，历来为气象 学家所重视。它的南北、东西位置变化对中国不同区域旱涝及寒暑影响尤其重大。 西太平洋副高的北跳或南撤以及它的持续停留，直接决定了中国华南、长江流域 及华北地区的雨带长短或旱涝情况。而西太平洋副热带高压的东西位置也关系到 东亚季风的建立、长江流域降水的多寡以及华北的气温与旱涝。 西太平洋副高的变动往往能够形成热浪嘲1 。西太平洋高压的不同部位，因为 结构不同，天气也不相同。在脊线附近，为下沉气流，多晴朗少云的天气；又因 为气压梯度较小，风力微弱，天气则更为炎热，如果副热带高压长时间控制该地 区，则形成热浪。长江流域8 月份经常出现的伏早，就是由于西太平洋高压脊较 久地控制这个地区造成的。毛连海等”3 研究发现，高温年副高前期和夏季，动能、 内能、位能偏大，总能量也偏大。特别是华南受副高控制，容易干旱。其次是夏 季长江流域。干早年一般对应高温年，控制副高的位能、内能越强，对应地域高 温越强。 西太平洋副高的变动还影响我国的降水分布嘲1 。在西太平洋副高控制下的地 区，有强烈的下沉逆温，使低层水汽难以成云致雨，造成晴空万里的稳定天气， 时间长久了可能出现大范围干旱。我国降水的水汽来源，虽然主要依靠西南气流 从印度洋输送来，但太平洋副高的位置、强度和活动，不仅对西南气流的水汽输 送有影响，而且还影响着它南侧的东南季风从太平洋向大陆输送来的水汽。同时， 9 浙江大学硕j ：学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东哑地区的实际可预报性诊断研究 西太平洋副高的北侧是沿副高北上的暖湿空气与中纬度南下的冷空气相交绥的 地带，往往形成大范围的阴雨天气，是我国大陆地区的重要降水带。因而我国降 水带的南北移动同西太平洋副高的季节活动相一致，通常降雨带位于副高脊线以 北约5 8 个纬度。每年2 - 4 月，副高脊线稳定在1 8 - 2 0 。n 问时，我国华南地区 出现连续低温阴雨天气。6 月副高脊线北跳越过2 0 。n ，稳定在2 0 一2 5 。n 间，降 水带位于长江下游和日本一带，正是梅雨季节开始的时期。到7 月份，副高脊线 再次北跳，降雨带从长江流域推移到黄淮流域。长江中、下游的梅雨结束，开始 被西太平洋副高所控制，天气变得炎热少雨。如果副高强大，控制时间长久，将 造成严重干旱现象。从7 月底到8 月初，高压脊线进一步越过3 0 。n ，雨带也北 移至华北、东北地带。9 月上旬，高压脊线开始向南回跳，雨带也自北南移。上 述情况仅仅是西太平洋副高活动对我国天气影响的一般规律。实际上，副高的南、 北季节性移动经常出现异常，造成一些地区干旱；另一些地区水涝的反常天气。 西太平洋副高与台风移动之间也有十分密切的关系”1 。当副热带高压呈东西 带状，且强度比较强时，位于其南侧的台风将西行，且路径比较稳定。一般情况 下，当台风移到西太平洋副热带高压，高压脊便开始东退；在台风北行时，高压 脊继续东退；而当台风越过脊线后，则位于台风南侧的高压脊开始西伸。还有， 当西太平洋副热带高压脊较弱时候，台风可以穿过其脊，使脊断裂。 有关西太平洋副高的研究很多，对西太平洋副高强度和形态的预报也一直是 人们非常关注的重点和难点问题。尽管已揭示出许多副高活动的特征和规律，但 是由于太平洋副高的变化受到大气环流、海气相互作用等诸多因素的影响，预测 难度大，所以对其预报目前仍未取得满意的效果。由于目前探空资料的时空分辨 率较低，特别是在副高活动的海洋上探空测站非常稀少，因此通过探空实测资料 很难获取实时的副高活动信息。当然。研究者们正在努力提高副高的预报水平。 比如建立各种动力模型、用人工神经网络方法、用小波分解和自适应神经模糊推 理系统相结合的方法以及利用卫星云图定量分析等等来预报副高。 总的来说，关于可预报性和预报技巧的研究仍有许多重要的问题没有解决， 而且无论从物理、数学的提法上还是在定量估算上，无论在成因分析上还是在延 长模式可预报时效的手段上，都有待进行深入地分析和研究。 1 0 浙江大学硕士学位论文 基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 第三章t 2 1 3 模式在东亚地区的预报技巧的整体诊断 3 1 资料及方法介绍 3 1 1 选用资料 本章选用2 0 0 4 年7 月1 日至2 0 0 4 年9 月3 0 日每天2 0 点的t 2 1 3 模式各要 素场( 包括高度场、温度场、比湿场和u v 风场) 的5 个层次( 2 0 0 h p a 或3 0 0 h p a 、 5 0 0 h p a 、7 0 0 h p a 、8 5 0 h p a 、1 0 0 0 h p a ) 的实况场和2 4 h 、4 8 h 预报场的序列资料。 检验范围是卜1 8 0 。e ，0 - 9 0 0 n 整个东亚地区。由于部分资料缺失，实际研究的内 容不足三个月的资料，但是对文中的讨论没有影响。 3 1 2 研究方法介绍 预报技巧是反映预报场和实况场吻合程度的量。本文采用标准误差( r m s ) 来反映预报技巧，从而检验实际预报的好坏。着r m s 值小，则表示预报技巧高， 可预报性好；反之表示预报技巧低，可预报性不强。r a m s 值的计算公式如下： r m s = 腼 式中：a i 一要素的预报场；以一要素的实况场；n 一格点数；r m s - - 。 本章运用f o m a n 语言编程计算出2 0 0 4 年7 - 9 月上述各要素场各个层次每天 2 0 点的标准误差值，并利用s p s s 统计软件画出r m s 值的变化曲线，来研究这 三个月的实际预报情况，最后选取预报不稳定的典型个例作天气形势诊断研究。 3 2t 2 1 3 模式各要素场各层总体预报效果 3 2 1 高度场总体预报结果分析 根据图3 - 1 可以看出，在高度场各层次上，标准误差值都随着预报时效的延 长而变大。即各个层次上，4 8 小时的预报技巧比2 4 小时的预报技巧低。从图3 1 还可以看出，在各个层次上，2 4 小时预报的标准误差值和4 8 小时预报的标准误 差值在2 0 0 4 年7 9 月有类似的变化趋势。即对于这3 个月中的大部分个例来说， 在所有个例的排名中4 8 小时预报的标准误差值与2 4 小时预报的标准误差值表现 出较好的一致性，也就是2 4 小时预报技巧高的个例4 8 小时的预报技巧也较高， m 浙江大学硕学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 2 4 小时预报技巧低的个例4 8 小时的预报技巧也较低。 但是，从图中也可以看到4 8 小时预报的标准误差值的变化幅度明显比2 4 小 时预报的变化幅度大，即4 8 小时的预报技巧更不稳定。我们把各个高度层次上 的个例按标准误差值从小到大做一个排名，即值最小的为第一名，值最大的排最 后一名。并根据这个排名区分个例预报的好坏：排名在总个例数的前1 0 0 o 的视为 c 7 0 0 i p 8 b 8 5o l 如 d 5 0 0 b p a 图3 - 1 高度场在不同层次上7 9 月逐日的标准误差曲线图( 单位：位势十米) ， 其中蓝线和绿线分别代表2 4 小时和4 8 小时预报的标准误差曲线。 月a 移浙江大学硕士学位论文基于副高活动的t 2 1 3 模式在东亚地区的实际可预报性诊断研究 预报好的个例，前2 0 的视为预报较好的个例，而排在5 0 以后的视为预报差的