对流尺度模式降水预报评估以及偏差原因分析

发布时间：2020-09-11 15:14

　　高分辨模式是数值天气预报发展趋势。然而,缺少对高分辨模式预报偏差及其原因的认识,严重阻碍了高分辨模式改进。本论文将研究如何利用高分辨观测揭示南京大学2016年夏季汛期试验4km WRF模式的主要预报偏差。在预报偏差认识的基础上,提出了一种基于邻域和不同尺度评估相结合的客观评分方案,指出在原有的客观评分中4km WRF模式对于小尺度降水评分偏低的原因主要是没有考虑强度和位置偏差的影响。进一步分析了华南沿海午后降水预报位置偏差的可能原因,指出海陆风预报偏差是导致局地风向预报偏差以及降水预报偏差的主要原因。论文主要研究内容如下:首先,利用高时空分辨率的5km逐小时格点融合降水产品,评估了南京大学2016年夏季汛期试验4km WRF与12km WRF模式在江淮和华南区域的降水预报能力。评估表明,12km WRF和4km WRF模式都能较好地模拟降水空间分布及日变化、传播特征,相比之下,4km WRF模式预报的降水精细结构更接近观测,午后峰值也和观测更为接近。12km WRF模式会低估降水强度,尤其是午后峰值,主要原因是12km WRF模式依赖于积云参数化方案分辨午后大部分对流性降水,而其采用的Grell 3D积云对流参数化方案不能很好地预报午后对流。4km WRF模式改善了强度预报,但在华南沿岸一带,午后降水预报的强度偏强,位置偏向海岸线。客观评估结果和主观评估结果一致,4km WRF模式的ETS评分要优于12km WRF模式,尤其对于强降水预报(累积6小时降水强度超过25mm的降水)优势更为明显。进一步利用尺度分离客观评分方法评估了4 km WRF和12 km WRF模式的降水预报能力,发现4km WRF模式在小尺度预报的客观评分反而低于12 km WRF模式,这主要是因为4km WRF模式预报的小尺度降水存在位置和强度的偏差,从而造成模式会因为一次漏报及一次空报而被双重惩罚,也就是所谓的“double penalty”现象导致评分偏低。为此,本论文提出了一种基于邻域检验和尺度分离相结合的客观评分方法,该方法在尺度分离基础上,考虑到预报的位置偏差,借鉴邻域评估思想,计算了基于邻域的不同尺度FSS评分。在此基础上,考虑到预报的强度偏差,引入了分位数阈值,进一步改进了客观评估结果。利用改进后的客观评分方法,评估了2016年梅雨季降水预报,结果表明,4km WRF预报的小尺度降水(空间尺度小于1OOkm)客观评分都要高于12 km WRF预报,和主观评估结果较为一致。最后,分析了华南午后降水预报位置偏差的可能原因。利用广东省内4个探空站点,评估了1000 hPa、925 hPa和850 hPa模式预报的风速风向。预报起始时刻,观测和模式背景场风速风向偏差较小。分析了 18小时(14 LST)、24小时(20 LST)预报,14 LST,模式预报的风向较于观测风向明显偏向海岸线,此时降水预报与观测的偏差大。20 LST,模式的预报风向与探空风向偏差变小,降水预报与观测较为一致。表明风向预报偏差和降水预报位置偏差可能相关。进一步分析表明,对于山地上午后对流,4km WRF模式能较好的预报,主要偏差在于海陆风环流相关的降水过程。由于模式对海陆热力差异模拟偏差,导致海陆风预报模拟偏差,这是造成局地风向预报偏差以及降水预报偏差的主要原因。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P457.6
【部分图文】：

模式预报,功率谱分析,幂率

ｋ邋＝邋Ｖｍ２邋＋邋ｎ２逦（６）逡逑２０１６年夏季的观测和预报的降水场的平均功率谱分析结果如下图２．１所示。逡逑越高的谱幂率代表着更平滑的、更加有组织的系统｜８８，８９１。从图上可以看到，波长逡逑大于７０ｋｍ时，观测降水谱的谱幂率和预报降水基本一致。在接近网格格距时，逡逑受到网格分辨率的影响，降水谱的谱幂率随着波长增大在迅速减小。预报降水谱逡逑的谱幂率大约在波长为４－６倍波长处出现减小的现象，格点融合数据的降水谱的逡逑谱幂率大约在波长为２５ｋｍ（？５Ａｘ）处，这一点和过去的研宄结果也比较一致１９°１。逡逑预报降水谱的谱幂率的减小，可能是由于模式的粗分辨率的问题，而观测降水谱逡逑的谱幂率的减小，是由于数据客观分析中的平滑过程造成的Ｐ１。因此，格点融合逡逑降水的实际分辨率在１２ｋｍ。逡逑１0４邋１邋１逦｜邋＇邋＇邋＇邋＇￣￣１邋１邋１逦｜邋＇邋＇邋＇邋１邋￣１邋￣１邋１邋１逦｜邋ＱＢ３逡逑．、逦逦ＷＲＦ１２逡逑、、、逦—ＷＲｆ邋ＮＪＶ逡逑、、、、ｋ－、３逦逦—逡逑

示意图,模式预报,网格,示意图

为评估区域１邋（江淮区域），数字２为评估Ｅ域２邋（华南区域）。逡逑网格的转换使用ｎｅｉｇｈｂｏｒ邋ｂｕｄｇｅｔ邋ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ插值方法１ＳＴ｜，是－种降水面积逡逑守恒的插值方法。通过下图２．３来具体说明。原始的网格是用黑色的实线来表示逡逑的，转换后得到的新网格线为黑色短虚线。首先，将新网格分成５ｘ５的次网格并逡逑且赋上离它们最近的原始格点的值。也就是说，图中打灰色阴影线的次网格格点逡逑赋上原始格点２的值，而其它的次网格赋上原始格点５的值。转换后新网格格点逡逑上的值就是这５ｘ５次网格格点值的平均。至此，完成一个新网格格点的转换。逡逑１４逡逑

示意图,插值方法,过程,示意图

逡逑图２．２所示的区域。逡逑0。－邋Ｈｒ逡逑＿＿Ｉ逦Ｉ逦、、一１、１邋￣逦１邋￣＇逦Ｉ逡逑７５°Ｅ逦９０°邋Ｅ逦１０５°Ｅ逦１２０°Ｅ逦１３５°Ｅ逡逑图２．２所使用的模式预报和评估的范围示意图。最外围的黑色框为ｌ２ｋｍＷＲＦ模式的预报逡逑范围，内圈红色框为４ｋｍ邋ＷＲＦ模式的预报范围，中间的灰色区域为评估区域，其中数字１逡逑为评估区域１邋（江淮区域），数字２为评估Ｅ域２邋（华南区域）。逡逑网格的转换使用ｎｅｉｇｈｂｏｒ邋ｂｕｄｇｅｔ邋ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ插值方法１ＳＴ｜，是－种降水面积逡逑守恒的插值方法。通过下图２．３来具体说明。原始的网格是用黑色的实线来表示逡逑的，转换后得到的新网格线为黑色短虚线。首先，将新网格分成５ｘ５的次网格并逡逑且赋上离它们最近的原始格点的值。也就是说，图中打灰色阴影线的次网格格点逡逑赋上原始格点２的值，而其它的次网格赋上原始格点５的值。转换后新网格格点逡逑上的值就是这５ｘ５次网格格点值的平均。至此，完成一个新网格格点的转换。逡逑１４逡逑

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