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受理编号:

 


 

 


 

国家自然科学基金

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申 请 书

 

资助类别:

亚类说明:

附注说明:

 

项目名称:

申 请 者                  电话:  

依托单位:

通讯地址:

邮政编码:                 单位电话:

电子邮件:

 

申报日期:           2004318

 

国家自然科学基金委员会


基本信息1Uz0IgSy

       

姓名

xingming

性别

出生

年月

19662

民族

汉族

学位

博士

职称

高级工程师

主要研究领域

数值天气预报

电话

028-87374822

电子邮件

chenj_cma@hotmail.com

传真

028-87329982

个人网页

 

工作单位

中国气象局成都高原气象研究所

在研项目批准号

 

依托单位信息

名称

代 码

61007101

联系人

张玉兰

电子邮件

zhangyulan001@163.com

电话

02887329982

网站地址

 

合作单位信息

     

  

10008131

            

         

项目名称

资助类别

面上项目  

亚类说明

自由申请项目  

附注说明

 

代码

D0508:数值天气预报和数值模拟

 

基地类别

 

预计研究年限

20051 200712

研究属性

应用基础研究

 

 

          

项目研究内容和意义简介(限400字)针对我国暴雨热力场较均匀、斜压性较弱,现行集合预报初值扰动方法效果不好的特点,研究从不同非绝热物理过程预报离差中寻找对流敏感区,促使对流不稳定快速增长的一种新型中尺度暴雨短期集合预报初值扰动方法—异物理模态法的适用原理和设计准则(包括扰动初值的约束条件、结构、幅度、正交独立性等)。该方法可反映模式初值中与对流不稳定有关的中尺度不确定性信息,在集合成员间产生合理的方差和发散度,在现有初值扰动方法上有一定创新性和先进性,可用于开展我国中低纬暴雨集合预报研究。对比分析异物理模态法与其他常用扰动方法在暴雨短期集合预报中的应用效果,提出适合我国中尺度暴雨集合预报的最优构造方案,为中尺度暴雨集合预报的业务应用提供指导,提高暴雨预报准确率。通过本项目的研究,可望对中尺度暴雨可预报性这一科学问题有更深入的认识,在短期暴雨集合预报初值扰动原理和方法上获得突破,填补我国暴雨集合预报研究的空白。

关 键 词(用分号分开,最多5)

中尺度暴雨  短期集合预报  初值扰动方法


项目组主要成员(杰出青年科学基金不填此栏)

编号

 

出生年月

性别

职 称

学 位

单位名称

电话

项目分工

每年工作时间(月)

1

1960-1-1

研究员

博士

中国气象局成都高原气象研究所

123456

yuejian.zhu@noaa.gov

扰动原理,方法比较

3

2

1963-1-1

副研究员

博士

中国气象局成都高原气象研究所

123456

Dun.jun@noaa.gov

扰动原理,方法比较

2

3

1962-2-18

研究员

硕士

中国气象科学研究院

010-68496169

chenj@cma.gov.cn

初值扰动方案设计

5

4

1961-7-30

高级工程师

硕士

四川省气象台

028-87316829

xiaoyuhua8998@sina.com

数值试验,结果分析

8

5

1962-2-18

高级工程师

硕士

国家气象中心

010-68406169

jiaomy@cma.goc.cn

业务应用方案

3

6

1969-3-5

工程师

学士

四川省气象台

028-87315378

kanglan@hotmail.com

数值试验,结果分析

8

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

总人数

高级

中级

初级

博士后

博士生

硕士生

4

5

1

  

  

  

  

说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报,总人数自动生成。

说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。

 


经费申请表                                                 (金额单位:万元)

科目

申请经费

备注(计算依据与说明)

.研究经费

30.6500

     

1.科研业务费

19.6500

     

1)测试/计算/分析费

6.7500

6/小时*15小时/*250/*3(试验机时和调试模式)

2)能源/动力费

0.9000

3000*3

3)会议费/差旅费

6.0000

3.0*3

4)出版物/文献/信息传播费

4.0000

     

5)其它

2.0000

     

2.实验材料费

4.0000

     

1)原材料/试剂/药品购置费

3.0000

10*3

2)其它

1.0000

1.0

3.仪器设备费

4.0000

     

1)购置

4.0000

高档微机和辅助设备20000/*2

2)试制

     

     

4.实验室改装费

     

     

5.协作费

3.0000

     

.国际合作与交流费

4.0000

     

1.项目组成员出国合作交流

2.0000

     

2.境外专家来华合作交流

2.0000

     

.劳务费

3.0000

10000*3

.管理费

1.5000

     

    

39.1500

     

与本项目相关的
其他经费来源

国家其他计划资助经费

     

其他经费资助(含部门匹配)

     

其他经费来源合计

0.0000


         报告正文


(一)立项依据与研究内容(4000-8000字)

1.项目的立项依据(研究意义、国内外研究现状及分析,附主要参考文献目录)

暴雨是影响我国的主要重大灾害性天气,国内外公认发展数值预报是提高暴雨天气预报准确率的最重要途径[1]。成功的数值预报取离不开精确的模式初值和较好的数值模式。但是,由于形成初值的同化技术、数值模式(包括模式动力和物理参数化处理)的不完善,目前模式初值、数值模式本身都存在误差(如较大的初值误差常出现在对流不稳定区域),而降水事件,特别是强降水事件对模式初值和模式物理都极为敏感,造成单一“确定性”的强降水预报误差很大(即存在不确定性),可用性很低,中尺度暴雨的可预报性仍是一个需要进一步深入研究的科学问题。

集合预报是针对“单一”确定性数值预报的“不确定性”问题而提出来的随机动力预报理论[2-3],通过找出在初值分析误差分布范围内数值预报所有可能的解,估算出最接近真实大气的预报值,并定量描述出这个预报值的可信度。集合预报为解决“确定性”数值预报中的不确定性的问题提供了一条新的途径。集合预报要解决的主要问题有扰动初值的生成、模式的运用和集合预报产品解释应用和检验,经过科学家20多年的不懈努力,集合预报技术的研究取得了长足进步[2-9]。国内外主要进展表现在以下几个方面:1)集合预报已成为各国业务数值预报系统的重要组成部分,在发达国家,集合预报产品已应用于业务预报和专业气象服务中如ECMWF的集合预报产品已占据现有数值预报产品的60%以上。美国气象局(NWS)在其发布的气象战略目标中宣称,自2005年开始把NWS发布的所有预报产品都改为具有动力学意义的基于集合预报的概率预报。2)在发达国家,集合预报产品已应用于业务预报和专业气象服务中,近来的应用发展趋势是将集合预报直接与应用模式相联系,如ECMWF将集合海浪预报应用到大洋航线预报。 3)集合预报初值扰动、模式扰动和系统构造方法与技术日趋完善 ,中高纬度集合预报初值扰动技术研究已较成熟,并在短期气候预测和中期天气预报业务中取得了很大成功;4近年来,以提高灾害性天气预报准确率为目的中尺度强降水短期集合预报所产生的预报效果已引起国内外许多科学家的高度重视[10-15],正处于发展阶段。

集合预报研究中最关键的问题是初值扰动原理和方法,即如何在初值误差分布范围内找出所有可能的初值集合,获得所有可能的解的数学处理方法。初值扰动形成的基本原则是:1)扰动场的特征与实际分析资料中可能的误差分布较一致,以保证每个初始场都可能代表大气的实际状态。2)每个初始扰动在模式中的演变方向尽可能大的发散,以保证预报集合最大可能地包含实际大气所能出现的状况。70年代以来,国内外学者对初值扰动方法进行了大量的研究[16-18,7],初值扰动方法从最初仅考虑误差分布的Motel Karlo 随机扰动法,时间滞后法(LAF)发展到既考虑误差分布特征,又考虑扰动初值动力结构的奇异向量法(SVs)、增长模繁殖法(BGM)和集合卡尔曼滤波法(KMF)。后三个方法分别是ECMWFNCEPMSC(加拿大气象中心)发展起来的,他们的基本原理建立于对大气运动可预报性和误差增长的研究基础上。数值预报的误差增长理论研究究表明,强不稳定区大气运动的可预报性较弱不稳定区域的小,误差增长较快,扰动强不稳定区的初值可以较好的反映该区域的预报不确定性。斜压扰动的发展是中高纬度天气系统发展的理论基础,斜压不稳定区初值误差对中高纬度可预报性具有重要影响, ECMWFSVsNCEPBGM所用的数学处理方法不同,但目的都很明确,即试图通过捕捉斜压不稳定区可能的初值误差,扰动斜压区的初值,使斜压扰动向不同的相空间发展,在模式中反映出出大尺度斜压不稳定波动的预报不确定性[19]。这些方法抓住了影响大尺度运动预报不确定性的本质问题,因而在全球模式中期集合预报中获得了成功应用。然而,我国的暴雨天气常发生在斜压性较弱的环境场中,与中小尺度对流不稳定运动发生发展密切相关,其动力机制、预报误差增长特征不同于中高纬度的斜压不稳定扰动,如何针对与对流不稳定有关的中小尺度运动,研究有效的暴雨集合预报初值扰动方法,探索中小尺度灾害性天气集合预报理论,是一个性质不同的科学问题。通过对中尺度暴雨集合预报初值扰动方法的研究,一方面可以探索适合对流不稳定的集合预报初值扰动方法,提出合理的中尺度暴雨集合预报构造方案,另一方面,还可以更深入地认识中尺度暴雨的可预报性问题,为暴雨集合预报提供理论依据。因此,中尺度暴雨集合预报的研究具有重要的科学意义。

目前国内外关于中尺度强降水短期集合预报初值扰动方法的研究,重点在于如何针对中尺度降水的预报误差特征,构造更好地集合预报扰动方法,反映强降水发生时间、地点、强度的预报不确定性。国外已将从中期集合预报中发展出来BGMSVs等方法应用于中尺度集合预报试验中,也有专门针对中尺度预报特点发展初值扰动方法,Mei Xu[24]等利用4维同化的伴随方程研究了用于短期中尺度对流系统集合数值预报初始场的可行性,用伴随模式敏感因子产生初值扰动场和集合预报,他们使用的响应函数是人为确定的,主观性较大。按照初值扰动方法的原则,一个好的中尺度初值扰动方法应该促使与对流不稳定有关的扰动向不同的相空间发展,对于风暴尺度、云尺度的集合预报,可能应包含更多的对流尺度初值的不确定信息,如温度、水汽通量、垂直速度等。除发展中尺度降水初值扰动方法,国内外目前常用还有其他两种方法。第一种方法是在单一模式中考虑模式物理特别是积云对流过程对降水预报的随机影响(如将云参数化、边界层参数化方案当作随机过程来处理[20],或者随机选取不同的参数化方案[21-23]),这一方法已取得较好的实际效果,但物理的差异还不足以在集合成员对大尺度环流预报方面产生较好的离散度。二是多模式多分析的超级集合预报方法[25],即充分考虑初值误差和模式误差,用多个模式和多个分析初值构造超级集合预报系统,增加集合成员的离散度。1998年美国的风暴与集合预报试验计划(SAMEX)的研究结果表明[13],多模式多分析初值方法的超级集合预报平均误差是最小的。Krishnamurti首先提出超级集合预报的概念和方法,并应用到热带气旋和飓风集合预报中,其方法是将多个数值预报中心的预报值进行历史统计后得到一个确定性预报方程,预报结果是一个确定性预报。然而集合降水预报完全不同于确定性降水预报,前者是概率预报,因此,Krishnamurti的超级集合预报方法是否是中尺度降水集合预报的较好方法还有待研究。

从国内外中尺度降水集合预报发展现状看,最急待加强的研究领域是发展适合中尺度强降水运动的初值扰动原理和方法,这也是集合预报研究领域的核心问题。但目前的同化分析技术很难描述中小尺度初值的细节,更不用说了解其分析误差了,如何捕捉到初始分析场中的中尺度误差信息是一件极其困难的事情。在中小尺度环流的发展和演变中,重力惯性波具有重要意义,包括触发局地强对流、传输能量和动量等。现有模式初值的初始化方法,一般都将重力波和惯性波模态当作“噪声”过滤了,这对模式能长时间的稳定积分具有重要作用,但是却有可能影响模式激发对流的时间、地点和强度,造成强降水预报误差。如果在对流不稳定区域加入具有重力惯性波结构特征的扰动场,是否可以反映模式初值中小尺度信息的不确定性?是否能通过对流激发函数和重力惯性波的传播,使对流不稳定扰动快速增长?

申报者自2000年来一直从事中尺度集合预报的研究 [20]。申报者在研究影响中尺度暴雨数值预报误差的重要影响因素——非绝热物理过程中发现,不同对流参数化方案物理量预报离差主要出现在对流活动的敏感区,并具有中尺度重力波的特征,因此提出了一种利用对流活动敏感区域的物理量预报离差结构和强度发现对流敏感区,构造具有中尺度重力波结构的扰动场,用这些扰动场去近似初始时刻分析场中可能的中小尺度误差分布,促使与对流不稳定有关的误差快速增长的新方法异物理模态法。该方法,对一次华南暴雨的试验结果显示 扰动初值结构特征具有明显的中尺度特征,反映了华南暴雨预报的不确定性,同时还将该方法与随机扰动法和多物理模式扰动法进行了比较,异物理模态法的预报结果明显优于随机初值扰动法,也优于多物理模式扰动法Du Jun也进行了类似的研究,利用不同物理的预报离差孵化BGM的扰动场结构,初步结果显示对降水集合预报具有正面的效果。尽管该方法已取得了初步成功,但是在研究中也发现,异物理模态法还有许多问题需要进一步深入研究,如具有重力波结构的扰动在积分不久后能量即被频散了,对大尺度环流影响较小,但产生的降水预报离差却与多物理组合法相当,那么,这种由不同物理产生的具有重力波结构的扰动场是如何反应中尺度降水初值误差分布的不确定性?其物理本质是什么?应扰动什么模式变量,扰动的最佳方法是什么,才能真正反映出中尺度暴雨预报的初值误差分布的不确定性?还发现,一些物理方案所产生的扰动场结构相似,影响了扰动初值的正交独立性,进而影响了初值的概率密度分布函数。另外,申报者初步提出了中尺度暴雨集合预报的扰动原理是在对流不稳区和水汽输送带上产生扰动,促使与积云对流有关的不稳定扰动快速发展,并具有使这种扰动在模式中长时间维持的机制,这不仅需要从理论上加深认识,还需要针对我国暴雨特点研究这一原则的应用方法。

本课题拟对异物理模态法进行深入详尽的研究,探索适合我国季风气候区大气对流不稳定的集合预报扰动原理。它的完成将促使我国中尺度暴雨集合预报在方法和原理的研究获得突破,更多地了解季风气候区内暴雨可预报性问题,提出适合我国暴雨特点的集合预报构造方案,并应用到中尺度暴雨集合预报试验中,为用户提供中尺度暴雨的预报可信度指标,提高暴雨预报准确率,为各级政府部门抗洪抢险提供科学的决策依据,因而具有十分重要的科学意义和应用价值。

 

参考文献:

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2.       Epstein E.S. Stochastic dynamic prediction.  Tellus, 1969, 21739—759.

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5.       Tracton M. S and Kalany E.  Operational ensemble prediction at the National Meteorological Center.  Weather and Forecasting, 1993 8: 379—398.

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9.    李泽椿,陈德辉. 国家气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用.应用气象学报,2002131):1-15

10.   Buizza R., Barkmeijer, J. etal  Current status and future developments of the ECMWF ensemble prediction system.  Meteorol. Appl., 2000, 7:163175.

11.   Du.J.. Short-range ensemble forecasting of quantitative precipitation. Mon. Wea. Rev.199712524272459.

12.   TKKrishnamurti, T.S.V.Vijaia Kumar, W.T.Yun   Superensemble for weather and climate ECMWF Seminar on Predictability of Weather and Climate, Sep. 2002

13.   Sindic-Rancic G,Toth Z,Lalnay E. Storm scale ensemble experiments with ARPS model preliminary results. Preprints, 12the Conference on Numerical Weather Prediction, Phoenix,Arizona, Amer. Meteor. Soc. 1998. 279-280

14.   陈静 陈德辉 颜宏  集合数值预报的发展与研究进展, 应用气象学报, 2002 13(8) 497507

15.   杜钧 集合预报的现状和前景,应用气象学报,2002131 1628

16.   Buizza R., Palmer T.N. The singular-vector structure of the atmospheric general circulation.    J. Atmos. Sci., 1995,52:14341456.

17.   Tothl  Z and Kalany Y.  Ensemble forecasting at NMC: The generation of perturbations. Bull Amer. Meteor Soc. ,1993 ,74: 23172330.

18.   Mu Mu and Wang Jiacheng, Nonlinear fastest growing perturbation and the first kind of predictability, Science in China (Series D), 2001, Vol.44(12): 1128-1139.

19.   Buizza R, Houtekamer P.L. , Toth Zoltan, Gerald Pellerin, Wei Mozheng, Zhu Yuejian  Assessment of the status of global ensemble prediction (To be submitted to Mon. Wea. Rev)

20.   Buizza R. et al. Stochastic representation of model uncertainties in the ECMWF ensemble prediction system.  Q.J.R. Meteorol. Soc., 1999,125: 28872908.

21.   王晨稀,端义宏. 短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究. 应用气象学报,2003141):69~78

22.   陈静,薛纪善,颜宏. 华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验. 气象学报,2003,61(4):432446

23.   Stensrud D. J. et al   Using initial condition and model physics perturbation in short-range  ensemble simulations of mesoscale convective systems.  Mon. Weather Rev.,2000 ,128:2077-2107.

24.   Xu. Mei , Stensrud D. J. et al   Applications of the adjoint technique to short-range ensemble forecasting of mesoscale concective systems.  Mon. Weather Rev.,2001 ,129:1395-1418.

25.   Krishnamurti T.N.Kishtawal  C.M. LaRow T., etcl Improved skills for weather and seasonal clomate forecasts from multimodel superensemble. Science, 1999,285(5433):1548-1550

26.   陈静  中尺度暴雨短期集合预报研究,中国气象科学研究院博士论文,2003

27.   陈静 薛纪善 颜宏  非绝热物理过程对中尺度暴雨短期数值预报影响的研究 气象学报 2003 612

2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题

研究内容:

基于非静力版本的MM5模式、现有观测数据和已有异物理模态法工作基础,围绕研究适合中尺度暴雨集合预报的初值扰动方法这个核心问题,探索中尺度暴雨集合预报原理,并应用水平分辨率的集合预报系统中。主要从以下几个方面研究中尺度暴雨集合预报初值扰动方法:

1) 模式物理差异对模式物理量预报离差的影响特征

申报者和Du Jun的前期研究工作已表明,选用不同参数化方案时,不同的物理量所产生的预报离差结果和特征不同,二阶量如散度、涡度等对不同参数化方案极其敏感,大尺度物理量如等压面上的高度场对不同参数化方案的敏感性较小,当我们采用不同的物理量预报离差构造异物理模态法的扰动初值时,不同物理方案的预报离差结构直接影响了异物理模态法的扰动初值结构,进而影响中尺度集合预报结果,因此,首先需要研究模式物理差异对模式物理量预报离差的影响特征,产生的预报离差结构特征,包括预报离差的分布、结构、演变特征,最终确定哪些物理预报离差能反映对流对流不稳定区误差分布,且具有动力学结构的物理量,为用异物理模态法构造具有重力惯性波结构的扰动初值提供依据。

2)异物理模态法初值扰动的数学处理方法

如前所述,目前常用的数值处理方法有两种,一种是ECMWFSVs方法,一种是NCEPBGM方法。BGM方法的数学处理过程是通过在初始析场上加和减去一个扰动得到一对扰动场,由这对扰动场出发积分预报模式。然后根据这对扰动预报值的差异,循环孵化获得扰动初值,捕获具有动力学结构的可能的初值误差。我们利用BGM的数学处理过程,研究如何从不同物理产生的预报离差中,产生扰动初值的数学处理方案,数学处理方法的选择将直接影响初始扰动场的结构、振幅等特性。需要解决初值扰动的约束条件、扰动结构、扰动幅度、正交独立性等的数学处理方法。要求产生的扰动初值应出现在对流不稳定区和水汽输送带上,且具有动力学意义。分析异物理模态法扰动初值的构及影响降水预报的热力和动力过程,优化扰动结构和幅度,建立异物理模态法初值扰动设计准则。

3)异物理模态法在中尺度暴雨集合预报中的应用试验

用异物理模态法产生的扰动初值进行中尺度暴雨集合预报应用试验,通过大量的集合预报试验,检验中尺度暴雨集合预报效果,评估异物理模态法的有效性和合理性。

4) 适合业务应用的中尺度暴雨集合预报原理和构造方案

   对比分析异物理模态法、增长模繁殖法(BGM)和多物理模式扰动法的中尺度暴雨集合预报对比试验,分析多种集合预报构造方案的预报结果,评估这些方法的有效性和合理性,提出中尺度暴雨集合预报的最优构造方案,探索中尺度暴雨集合预报扰动原理,为中尺度暴雨集合预报的业务应用提供指导。

 

研究目标

基于高分辨非静力数值预报模式和集合预报初值扰动原则,建立由不同物理预报离差构造中尺度暴雨集合预报初值扰动方法的数学处理方案和设计准则,该方法可对国际上现有初值扰动方法有所突破,具有先进性,可应用于我国中低纬暴雨集合预报。在对比分析几种常用中尺度暴雨集合预报扰动方法的集合预报效果基础上,探索适合我国均匀热力场的中尺度暴雨集合预报原理,提出适合季风气候区的中尺度暴雨集合预报最优构造方案,利用其指导业务应用。

 

拟解决的关键问题:

    1)选择什么样的物理量预报离差才能较好地反映与对流不稳定区的初值误差分布,且具有动力学结构的物理量,是本研究的一个关键问题。

2)设计合理的初值扰动数学处理方案是本研究的另一个关键问题。我们将采用美国BGM的思路,用扰动初值近似代表初始时刻的分析场方差,反应初值误差的概率密度函数的分布。在初值扰动方案的数学处理方法中,需要解决三个重要问题。一是如何进设计归一化的初值扰动模态空间分布和结构的数学计算方法。二是如何确定初值扰动振幅的空间分布和扰动幅度。由于目前对中尺度初值误差量级认识有限,需要根据根据中尺度运动的误差特征,设计合理的扰动振幅过滤函数,构造适合中尺度暴雨的初值扰动结构和扰动幅度。三是如何保证扰动初值的正交独立性,是集合预报成员能否正确反映初值概率密度分布函数演变的关键所在,需要解决确定扰动初值正交独立性的数学处理方法。

   3) 扰动初值的积分稳定性。扰动初值后,模式的初始能量发生了变化,由于采用非静力MM5V3版模式,还需要对扰动初值重新初始化,重新计算垂直速度和扰动气压,避免由于扰动初值产生的虚假快波模态造成积分不稳定,这是保证新的扰动初值能稳定积分的关键。

 

  

 

3.拟采取的研究方案及可行性分析。

    拟采取的研究方案:

1、研究模式拟采用美国PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力MM5模式Ver.3版本,控制预报模式的物理过程与国家气象中心业务运行的中尺度MM5V3的物理过程相同。在本项研究的背景场资料将应用中国国家气象中心的T106T213全球模式的分析资料,常规资料包括欧亚地区无线电探空资料,每3小时一次的地面资料。申请人已积累了大量的暴雨资料,暴雨个例将选择几个具有代表性的中低纬暴雨个例,因而可以较好满足本项研究对资料的要求。模式分辨率小于20km,为了减少边界条件的影响,尽可能扩大模式计算范围。

2、采用数值试验和诊断分析方法确定哪个物理量,在哪一高度层和哪一预报时刻的预报离差可以更好地反映对流不稳定区可能的初值误差特征,且具有动力学结构。下一步就要解决用此物理量在确定高度层和确定预报时刻的预报离差构造扰动初值的数学处理方法,包括归一化初值扰动模态、扰动振幅、正交独立性的数学处理方法。对归一化初值扰动模态,我们考虑所选物理量的量级和误差特征,确定其上限和下限截止值,根据误差地理分布,确定归一化处理的约束条件,使扰动模态的数值为-11。对扰动振幅的数学计算方法,将参考中尺度大气变量观测误差垂直分布特征和地理分布特点,用分段函数和滤波函数计算扰动振幅。对扰动模态正交独立性的数学处理方法,将采用归一化模态矩阵与其转置矩阵相乘所得积的最小值来判断确定。用真实个例的数值试验和诊断分析方法研究异物理模态法扰动初值影响中尺度暴雨预报的热力和动力过程,分析中尺度暴雨集合预报扰动原理。

3、在多种扰动方法对比试验所需要的BGM初始扰动值,将直接从美国NCEP全球模式的中期集合预报系统中获得扰动初值,根据美国将全球模式BGM产生的扰动初值转为中尺度模式的扰动初值的方法和数学处理过程,获得本项目暴雨个例研究所需的扰动初值。

4、多物理模式扰动方法主要是拟针对大气边界层方案和云物理过程参数化方案的物理内涵,利用陈静研究采用的多物理构造方案确定中尺度暴雨集合预报扰动模式。

5、对不同的初值扰动方法和多物理模式扰动法进行48小时暴雨集合预报试验,用多种集合预报检验方法如Talagrand方法、集合预报离散度、Brier评分、相对作用特征ROC等评估这些方法的有效性和合理性,在此基础上提出中尺度暴雨集合预报的最优构造方案。

 

    可行性分析

申请人自2000年来一直从事中尺度集合预报的研究,博士论文“中尺度暴雨短期集合预报研究”获2003年度气科院优秀博士论文奖。申报者已研究了非绝热物理过程影响中尺度暴雨数值预报误差特征、热力和动力过程,并在此基础上初步提出了异物理模态法的构造原理和数学计算方案,已具备一定异物理模态法研究基础,对一次华南暴雨的试验结果显示异物理模态法的集合预报结果优于随机初值扰动法和多物理模式扰动法,表明该方法非常值得深入研究。主要合作者Zhu Yuejie博士和Du Jun博士在美国NCEP从事全球和区域集合预报系统的开发研究,在本项目所涉及的研究方面积累了非常丰富的经验,完成过多项研究项目,包括:用增长模繁殖法(BGM)建立NCEP的短期集合预报初值扰动方法、用增长模繁殖法(BGM)进行美国中尺度降水集合预报试验等,全球模式集合预报应用与检验等,已发表了多篇与本项目研究有关的论文,能够完成本项目的研究任务。申请者已积累了大量中国暴雨资料,编写了中尺度暴雨集合预报检验程序,在《气象学报》等学术期刊上发表多篇与申报内容相关的论文。研究拟采用的MM5V3模式,多年来一直被研究者用于中尺度天气的研究中,有较好的积分稳定性。目前申请人正承担国家“十五”科技攻关项目《气象数值预报系统技术创新研究》、科技部重点项目《奥运气象保障技术研究》有关灾害性天气集合预报技术部分的研究任务。成都高原气象研究所可以提供了很好的研究条件。以上这些研究和工作基础都为本项目的完成奠定了坚实的基础。

 

4. 本项目的特色与创新之处。

1) 本课题抓住集合预报中最为关键的初值扰动原理及扰动方法等问题进行深入研究,通过应用先进的研究手段和数值试验方法,采用不同非绝热物理过程产生的网格尺度物理量预报离差构造集合预报初值扰动结构、扰动幅度,在集合预报初值扰动方法和原理上具有一定的创新性。

2)国内还未见专门针对季风区暴雨集合预报开展初值扰动方法研究的报导,本课题的研究可以填补国内这方面的空白。

3)通过多种集合预报方法的暴雨集合预报试验,可以深入探讨我国中尺度暴雨集合预报的原理,加深认识,为暴雨业务预报提供指导

 

5. 年度研究计划及预期研究结果

12005  在已开展调研的基础上,查阅文献,修改完善研究内容、研究方案,落实具体的研究计划,进行任务分工,补充有关暴雨资料。完成异物理模态法初值扰动的构造方案和扰动原理,确定初值扰动的约束条件、扰动变量、扰动结构、扰动幅度、正交独立性等的数学计算方案,进行实际个例数值试验,调试扰动初始场与模式的动力协调性,完成分析异物理模态法产生的扰动初值影响降水预报的热力和动力过程分析,建立异物理模态法初值扰动设计准则。

1)2006年,完成BGM扰动初值的的本地初始化数学处理方案,确定多物理模式扰动构造方法,进行异物理模态法、BGM初值扰动方法、多物理模式扰动法集合预报对比试验。

2)             20071—6月,检验多种扰动方法初的暴雨集合预报效果,用集合预报的多种检验方法评估新型初值扰动方法的有效性和合理性,分析各种初值扰动方法的优劣,提出适合于我国季风气候区的中尺度暴雨集合预报构造方案。

3)            20077—12月,总结前期研究成果。撰写课题总结报告,准备结题。

 

预期成果:

1)              通过本项目的研究,可以更深入的认识我国中尺度暴雨可预报性这一科学问题,提出一种新型的中尺度暴雨短期集合预报初值扰动方法,这种方法不同于中期集合预报的初值扰动方法,可以推动中尺度天气的集合预报方法的研究,突破现有集合预报初值扰动原理和方法, 填补我国暴雨集合预报的空白。

2)              通过多种中尺度暴雨集合预报构造方案的对比,提出适合我国季风气候特点的中尺度暴雨集合预报构造方案,可对我国开展暴雨集合预报业务应用提供指导,具有应用前景。

3)              研究成果以论文形式提供,预计在核心期刊以上刊物上发表3—5篇以上的论文。

 

(二)研究基础与工作条件

 1.工作基础

申请人自2000年来一直从事中尺度集合预报的研究,博士论文“中尺度暴雨短期集合预报研究”获2003年度气科院优秀博士论文奖。申报者已研究了非绝热物理过程影响中尺度暴雨数值预报误差特征、热力和动力过程,并在此基础上初步提出了异物理模态法的构造原理和数学计算方案,利用该方法对一次华南暴雨个例进行了集合预报试验,并与随机初值扰动法和多物理模式扰动法的集合预报结果进行了对比分析。目前承担国家“十五”科技攻关项目《气象数值预报系统技术创新研究》、科技部重点项目《奥运气象保障技术研究》有关灾害性天气集合预报技术部分的研究任务,主要参与写作了2008年北京奥运预报演示计划(FDP)项目“中尺度短期集合预报研究”的研究计划。参与中国气象局《中国气象事业发展战略研究》第一卷《重大科学技术问题》 “集合预报技术与应用”部分的撰写。目前已撰写和发表了多篇与研究内容相关的论文,能熟练操作和调试MM5模式。主要合作者Zhu Yuejie博士和Du Jun博士在美国NCEP从事全球和区域集合预报系统的开发研究,在本项目所涉及的研究方面积累了非常丰富的经验,完成过多项研究项目,包括:用增长模繁殖法(BGM)建立NCEP的短期集合预报初值扰动方法、用增长模繁殖法(BGM)进行美国中尺度降水集合预报试验,全球模式集合预报应用与检验等

.

 

2. 工作条件

1)    申请人一直在我国自主研制的大型并行运算计算机神威-Ⅰ上应用并行MM5模式进行模式扰动暴雨集合预报的研究,目前正在参与国家气象中心承担的科技部重点项目“奥运气象保障技术研究”中有关华北灾害性天气超级集合预报技术研究课题的研究任务,可以利用国家气象中心高性能计算机和成都高原气象研究所的计算机设备条件和气象资料。

 

2)    在试验数据方面,已从多种途径收集获取了用于暴雨集合预报所应有的模式初始场数据资料,包括199868T106客观分析资料、3小时地面观测资料、12小时高空探测资料和全国雨量资料,20018月份的MM5初始场资料、华南暴雨过程期间的T106客观分析资料、3小时地面观测资料、12小时高空探测资料和逐时雨量资料。积累了许多典型暴雨资料。

 

3)合作成员来自美国NCEP,中国气象科学研究院,国家气象中心等有助于与先进国家的气象数值预报业务和研究部门建立联系和合作交流,及时获得国际上各种新的模式信息。中国气象局成都高原气象研究所承担了成都区域中心的数值预报业务,有助于该项目成果的推广应用。

 

3. 申请人简历

陈静,气象学博士 ,博士研究方向:数值天气预报,博士论文《中尺度暴雨集合预报研究》获2003年度中国气象科学研究院优秀博士论文。目前是中国气象局成都高原气象研究所一级副研究员,副所长

学历情况:

1982.9--1986. 7:南京气象学院,气象系,本科,学士。

      1986.9--1989. 6:南京气象学院,气象系,硕士研究生,硕士。

      1989.6--1996.12:成都中心气象台中期天气预报科,先后任助工、

                       工程师。从事中期天气预报业务和研究工作

      1997.1--2000.8 : 成都中心气象台高级工程师,先后任中期天

                       气预报科副科长,天气预报科副科长

          2000.92003:6  中国气象科学研究院博士研究生

          2003.7至今:中国气象局成都高原气象研究所一级副研究员,副所长

研究简历:申请人自2000年来一直从事中尺度集合预报的研究,博士论文“中尺度暴雨短期集合预报研究”获2003年度气科院优秀博士论文奖。申报者已研究了非绝热物理过程影响中尺度暴雨数值预报误差特征、热力和动力过程,并在此基础上初步提出了异物理模态法的构造原理和数学计算方案,利用该方法对一次华南暴雨个例进行了集合预报试验,并与随机初值扰动法和多物理模式扰动法的集合预报结果进行了对比分析。目前承担国家“十五”科技攻关项目《气象数值预报系统技术创新研究》、科技部重点项目《奥运气象保障技术研究》有关灾害性天气集合预报技术部分的研究任务,主要参与写作了2008年北京奥运预报演示计划(FDP)项目“中尺度短期集合预报研究”的研究计划。参与中国气象局《中国气象事业发展战略研究》第一卷《重大科学技术问题》 “集合预报技术与应用”部分的撰写。近期发表的相关论文:

1、一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究,2003年中国气象科学研究院年会交流论文

2、陈静  中尺度暴雨短期集合预报研究,中国气象科学研究院博士论文,2003,北京

3、陈静,矫梅燕,李川  青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟研究 高原气象,2003,增刊

4、陈静,薛纪善,颜宏. 华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验. 气象学报,2003,61(4):432--446

5Chen Jing,Xue Jishan,Yan Hong. The impact of non-adiabatic physics on mesoscale short-range heavy rainfall prediction. (Acta Meteorological Sinica, accepted)

6、陈静,薛纪善,颜宏. 物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值预报影响的研究. 气象学报, 2003, 612):203-208

7、陈静,陈德辉,颜宏. 集合数值预报的发展与研究进展. 应用气象学报, 2002,13(8):497507

8、陈静,李川,谌贵询. 低空急流在四川“9.18”大暴雨中的触发作用分析.气象,200228 (8):  2429

 

4. 承担科研项目情况

1)承担科技部“十五”重点科技攻关项目《中国气象数值预报系统技术创新研究》中“集合卡尔曼滤波同化技术中的初值扰动方法研究”课题的研究任务。

2)承担科技部重点项目“奥运气象保障技术研究课题--02专题中“华北地区灾害性天气超级集合预报技术研究”的研究任务。

 

5. 完成自然科学基金项目情况

 

(三)经费申请说明(要求按照《国家自然科学基金经费管理办法》认真填写,购置5万元以上固定资产及设备等,须逐项说明与项目研究的直接相关性及必要性。)

 

(四)其他附件清单(附件材料复印后随纸质《申请书》一并上交)

    随纸质申请书一同报送的附件清单,如:具有中级技术职称申请者的推荐信或在职研究生申请项目的导师推荐信等。)

 

 


签字和盖章页(此页不用填写!!!)  

 


申 请 者:陈静                        依托单位:中国气象局成都高原气象研究所

项目名称:中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

资助类别:面上项目                    亚类说明:自由申请项目

附注说明:

 


申请者承诺:

    我保证申请书内容的真实性。如果获得基金资助,我将履行项目负责人职责,严格遵守国家自然科学基金委员会的有关规定,切实保证研究工作时间,认真开展工作,按时报送有关材料。若填报失实和违反规定,本人将承担全部责任。

               签字:              

 

项目组主要成员承诺

   我保证有关申报内容的真实性。如果获得基金资助,我将严格遵守国家自然科学基金委员会的有关规定,切实保证研究工作时间,加强合作、信息资源共享,认真开展工作,及时向项目负责人报送有关材料。若个人信息失实、执行项目中违反规定,本人将承担相关责任。

编号

  

作单位名

项目分工

每年工作时间()

  

1

朱跃建

中国气象局成都高原气象研究所

扰动原理,方法比较

3

 

2

杜钧

中国气象局成都高原气象研究所

扰动原理,方法比较

2

 

3

杨学胜

中国气象科学研究院

初值扰动方案设计

5

 

4

肖玉华

四川省气象台

数值试验,结果分析

8

 

5

矫梅燕

国家气象中心

业务应用方案

3

 

6

康岚

四川省气象台

数值试验,结果分析

8

 

7

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

依托单位及合作单位承诺:

    已按填报说明对申请人的资格和申请书内容进行了审核。申请项目如获资助,我单位保证对研究计划实施所需要的人力、物力和工作时间等条件给予保障,严格遵守国家自然科学基金委员会有关规定,督促项目负责人和项目组成员以及本单位项目管理部门按照国家自然科学基金委员会的规定及时报送有关材料。

 

依托单位公章                合作单位公章1                合作单位公章2       

 

日期:                      日期:                       日期: