利用歷史資料訂正數(shù)值模式預(yù)報誤差研究.pdf

1、數(shù)值預(yù)報是當(dāng)今天氣預(yù)報和氣候預(yù)測的主要手段，但與傳統(tǒng)的天氣圖方法和統(tǒng)計方法相比存在一個根本性的問題，就是在數(shù)學(xué)上被提為初值問題，大量歷史資料沒有被吸收進來。我國學(xué)者最早指明了該問題，并將利用歷史資料的思想應(yīng)用到從延伸期到短期氣候預(yù)測這段時間尺度范圍內(nèi)的數(shù)值預(yù)報中。本文在前人工作基礎(chǔ)上將其領(lǐng)域向該時間尺度的兩極擴展，探索有針對性的利用歷史資料訂正數(shù)值預(yù)報的新途徑。一方面，瞄準時間尺度更短的中期天氣預(yù)報，以我國自主研發(fā)的中期業(yè)務(wù)預(yù)報模式 G

2、RAPES為試驗平臺，以我國原創(chuàng)性預(yù)報策略著力提高我國自身中期數(shù)值預(yù)報水平。將“誤差診斷-誤差反演-誤差訂正”作為研究主線，逐層深入，提出了創(chuàng)新性的反演和訂正方法，搭建起相似-動力方法訂正中期數(shù)值預(yù)報的系統(tǒng)框架，取得了令人鼓舞的效果。另一方面，聚焦時間尺度更長的長期氣候預(yù)估，以當(dāng)前氣候變化評估和預(yù)測的主要工具CMIP5為實施對象，著力提高其模擬預(yù)估結(jié)果的可靠性。以“幾何理論-歷史模擬-未來預(yù)估”作為思路轉(zhuǎn)換，循序漸進，建立起受歷史觀測約

3、束的長期氣候變化預(yù)估模型，顯著提高了預(yù)估能力，為評估氣候變化提供了可信度更高的參考依據(jù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴揭示了中期數(shù)值模式誤差時空特征及演變規(guī)律。將誤差分解為系統(tǒng)和非系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)誤差表現(xiàn)為經(jīng)向氣壓梯度偏弱，溫度整體偏暖，西風(fēng)整體偏弱；線性趨勢、行星尺度、天氣尺度和日變化構(gòu)成系統(tǒng)誤差隨時間增長的主要模態(tài)。利用主要模態(tài)重構(gòu)進行系統(tǒng)誤差訂正能將500hPa全球可用預(yù)報時效提高0.5天。非系統(tǒng)誤差量級顯著高于系統(tǒng)誤差，高值

4、區(qū)位于中緯度等高線密集帶、高空槽前、等溫線密集帶等斜壓區(qū)，正壓的低緯地區(qū)較弱；時間演變表現(xiàn)為先指數(shù)增長，后線性增長，最后趨于飽和值。上述全面診斷為誤差反演和訂正提供了參考。⑵提出了使用多歷史資料的模式誤差反演算法。從信息論和集合論的角度對數(shù)值預(yù)報的反問題理論做了詳細闡述，基于該思想提出的反演算法避免了以往需建立切線性模式和伴隨模式的不足。通過給定收斂判據(jù)，實現(xiàn)了保證快速穩(wěn)定收斂，又能有效節(jié)省計算資源。迭代后各物理量的RMSE減少到原始值

5、的1/10，迭代后模式的ACC和RMSE隨預(yù)報時效增長基本穩(wěn)定不變。收斂后的模式誤差能夠反映日變化周期，且隨預(yù)報時效增加呈現(xiàn)振幅增長、位相東傳的特征。根據(jù)該算法建立了歷史模式誤差數(shù)據(jù)庫，為未來模式誤差的估計提供了大量歷史信息。⑶發(fā)展了中期數(shù)值預(yù)報的相似-動力誤差訂正方法。通過引入預(yù)報誤差的連續(xù)性定理，將該方法轉(zhuǎn)化為相空間曲面上的插值問題，證明了其合理性。提出了同時考慮海溫和大氣環(huán)流的相似判據(jù)，通過敏感試驗確定了最優(yōu)相似更新周期?；貓笤囼?/p>

6、表明該方法將500hPa全球可用預(yù)報時效提高了0.8天，效果隨預(yù)報時效的增加而增強。在垂直各層均有穩(wěn)定改進能力且均優(yōu)于系統(tǒng)訂正效果。通過對比高度場、溫度場和風(fēng)場動能訂正前后的誤差，發(fā)現(xiàn)該方法能夠準確識別并削弱各物理量誤差的高值區(qū)，這充分表明了該方法在提高中短期預(yù)報中的有效性。⑷闡明了動力系統(tǒng)中氣候預(yù)測訂正的幾何理論。以動力系統(tǒng)理論為出發(fā)點，從相空間的角度對天氣預(yù)報和氣候預(yù)測進行了區(qū)分。指出了天氣預(yù)報的訂正是同一吸引子上的相軌跡的調(diào)整問題

7、，而氣候預(yù)測的訂正則是吸引子演變路徑的調(diào)整問題。指出相軌跡和吸引子本身性質(zhì)不同，利用歷史資料進行訂正的方式上應(yīng)有所區(qū)別。進一步將吸引子的演變問題轉(zhuǎn)換為正交基上投影軌跡的預(yù)測問題，闡明了通過建立模式投影軌跡和觀測投影軌跡的映射關(guān)系，從而調(diào)整模式吸引子演變路徑的思路，為利用歷史資料訂正氣候預(yù)估提供了理論基礎(chǔ)。⑸改進了氣候系統(tǒng)模式的歷史模擬技巧。首先通過對CMIP5的評估發(fā)現(xiàn)了其對全球干濕變化的模擬與觀測相比存在顯著差異，CMIP5低估了全球

8、降水的減少趨勢和干旱面積的擴張。通過建立歷史觀測資料與CMIP5的映射關(guān)系，提出了對CMIP5進行約束的集合最優(yōu)訂正方案。交叉檢驗表明該方法將干旱指數(shù)的ACC平均由0.04增長到0.28，RMSE平均由0.24mm/mm減小到0.19mm/mm。在空間尺度上提高了空間模態(tài)的一致性，在時間尺度上較準確地反映出線性趨勢和年代際變率。選用其他觀測資料的檢驗結(jié)果表明該訂正是穩(wěn)定可靠的。⑹實現(xiàn)了利用歷史資料訂正未來長期氣候預(yù)估。分段后驗檢驗結(jié)果表

9、明歷史段建立的映射關(guān)系對提高未來氣候預(yù)估能力是有效的。訂正模型被用于預(yù)估未來旱地面積變化，發(fā)現(xiàn)在RCP8.5（RCP4.5）排放情景下，21世紀末旱地面積相比1961-1990年氣候態(tài)的面積將增加23％（11%），并在本世紀末占全球陸地總面積56%（50%），而78%的旱地面積的擴張將發(fā)生在發(fā)展中國家。干旱加劇、強化增溫和人口增長的共同作用將增大發(fā)展中國家土地荒漠化的風(fēng)險，進一步擴大全球經(jīng)濟發(fā)展的區(qū)域差異。為發(fā)展中國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提