华中区域模式三维变分中夏季背景误差协方差统计与对比试验

【作者】 王叶红； 陈超君； 赵玉春；

【机构】 海峡气象开放实验室厦门市气象局； 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室； 重庆市水文水资源勘测局；

【摘要】 三维变分同化利用背景信息和观测信息得到最优的初值,其中作为背景信息权重的背景误差协方差(B)起着至关重要的作用,它决定着观测值订正到背景场的程度、以及控制信息从观测位置向四周传播的方式,决定模式变量之间在动力上是否协调一致[1-2]。在变分同化系统实现过程中,B约为107×107的超级矩阵,难以存储、计算和求逆,所以它在变分同化系统中是无法直接表示的,一般采用控制变量变换的方法来进行统计,从而获得B的统计量特征[3]。由于背景误差协方差三维空间结构特征与数值模式分辨率和观测网密切相关,并且受不同条件(天气情况、地理地形、预报模式等)影响,背景场误差的特征差别较大,因此对特定的区域和模式进行资料同化,都需要进行统计背景误差协方差的相关工作。诸多研究表明[4-7],改进背景误差协方差是提高分析场精度和天气预报技巧的非常有效的方法。华中区域气象中心于2012年3月开始引进开发WRF模式系统,建立华中区域中尺度数值预报系统,其同化系统采用的是WRF三维变分同化系统。因此,在华中区域数值模式系统的建立与进一步开发中,对B的统计研究十分重要。本文利用2012年6月12日—8月31日华中区域中尺度业务数值预报模式(WRF)一日两次的预报结果,采用NMC方法对背景误差协方差(B)进行了统计,得到了基于华中区域业务模式框架、分辨率和区域地理特征的夏季背景误差协方差矩阵的回归系数、特征向量、特征值以及特征长度尺度,并对模式三重嵌套各区域B的统计结构特征进行了对比,结果表明不同区域B的统计结构特征差异明显,表明B与模式区域地理特征和分辨率等关系密切。为探讨不同B对模式预报的影响,采用WRF模式自带的通用B矩阵(CV3-B)及本文统计得到的本地化B矩阵两种方案对2013年6—8月进行了批量试验和统计检验,结果表明:采用本地化B后,24 h小雨、中雨、大雨和48 h中雨、大雨、暴雨降水预报TS评分皆有所提高(图1)。850 h Pa风、温度及2 m温度等要素场预报的均方根误差减小,但500 h Pa高度场均方根误差略有加大(图2)。对2013年7月5日00时(世界时,下同)—6日00时发生在云南北部—重庆—湖北南部—安徽中部—江苏南部地区出现一次强降水过程探讨了不同B对模式预报的影响,如图3所示给出了25 mm以上降水的范围,可见此次强降水主要出现在安徽中部地区及鄂豫皖交界地带、皖苏交界地带。最强降水达150 mm以上。对比CV3-B试验(图3b)与本地化B试验(图3c)预报的降水,可见:CV3-B试验预报的25 mm以上雨带范围小、降水强度弱,特别是对安徽中部及鄂豫皖交界地带、皖苏交界地带的强降水预报明显范围偏小、强度偏弱;采用本地化B后,则对此处强降水的预报有较明显改善,尽管25 mm以上降水范围仍小于实况,但安徽中部及鄂豫皖交界地带、皖苏交界地带的强降水范围和强度均得到明显改善。进一步分析两个试验在初始时刻要素场的分布情况,可见两个试验在初值存在显著差异。从模式5日00时—6日00时24 h积分平均状况来看(图4),可以更加清楚地看到这种差异。在24 h降水发生期间,本地化B试验(图4b)在实况雨带北侧的切变线稳定维持,切变线南侧是带状云水和高相对湿度分布带,其高湿区、云水区均与实况雨带范围吻合非常好,特别是云水大值区位于安徽中部及鄂豫皖交界地带、皖苏交界地带,与实况强降水位置吻合较好。而CV3-B试验(图4a)流场结构、云水、相对湿度大值区的配置均不如本地化B试验。对一次典型强降水过程预报结果的分析表明,本地化B试验对强降水的范围和强度预报均明显优于模式自带的B试验;不同B方案,对初值场的初值影响非常显著,从而显著影响了数值预报结果,总体而言,本地化B分析的初值更为合理,也更加利于实况降水的产生。更多还原