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条件非线性最优扰动在集合预报中的应用

作　者: 姜智娜
导　师: 穆穆
学　校: 中国科学院研究生院（大气物理研究所）
专　业: 气象学
关键词: 集合预报 非线性优化方法 条件非线性最优扰动 奇异向量
分类号: P456
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本文采用正压准地转模式和T21L3斜压准地转模式,探讨了条件非线性最优扰动方法(CNOP)在中期集合预报中的可能应用。进而在此基础上,针对天气环流转型的预报,研究了特殊的集合扰动产生方法。主要结论如下:1.在不考虑模式误差的情况下,采用正压准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。a)奇异向量(SV)和条件非线性最优扰动被用来产生集合预报试验的初始扰动,对14天的预报结果作了比较,发现用条件非线性最优扰动代替第一奇异向量的集合(S2)预报技巧在中期预报范围(6~14天)明显高于奇异向量法(S1)。该结论是在分析误差为快速增长扰动的条件下得到的,即分析误差的非线性发展在预报后期快于奇异向量的非线性发展,不依赖于分析误差的大小。b)采用相似指数和经验正交函数分析方法解释了以上数值试验的结果。c)预报技巧和离散度的关系以及Talagrand diagrams分析显示,新方法产生的集合预报的可信度更高。d)敏感性试验表明,局部CNOP相对全局CNOP而言,在集合预报中可能起着更为重要的作用。2.采用T21L3斜压准地转模式,从扰动的初始模态及其发展两个方面比较了CNOP与SV的异同,揭示了非线性对可预报性的影响。a) CNOP与SV类似,也具有范数依赖性。流函数平方范数意义下的CNOP空间尺度最小,能量范数意义下次之,位涡拟能范数意义下空间尺度最大,甚至呈纬向流结构。b)流函数平方范数或能量范数意义下的SV和CNOP都呈现出局地性的特征。然而,随着初始约束或优化时间间隔的增大,相对SV而言,CNOP的局地性减弱。在某些情况下,波列结构甚至存在于北半球的整个纬圈方向。c)个例研究表明,在能量范数意义下,当SV在某一优化时间还没有促进纬向流向阻塞流转型的时候,CNOP可能导致了阻塞的爆发。这表明,在大尺度环流转型的研究中非线性过程起着非常重要的作用。3.在不考虑模式误差的情况下,采用T21L3准地转模式探讨了CNOP在集合预报中的可能应用。a)用异常相关系数(ACC)评估了北半球500百帕位势高度场的预报技巧。结果表明,如果大气环流本身的可预报性差,例如在预报中期范围有天气环流转型的发生,此时,CNOP方法相对SV方法能够提高预报技巧。b)在集合扰动的建立过程中,局部CNOP相对全局CNOP而言可能起着更为重要的作用。4.利用阻塞指数的定义,采用非线性优化技术研究了非线性框架下激发阻塞爆发的最优扰动,为天气环流转型的预报提供了特殊的集合扰动。

全文目录


摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-21
  1.1 选题依据及研究意义  9-10
  1.2 集合预报的研究进展  10-15
    1.2.1 蒙特卡洛方法(Monte Carlo)  10-11
    1.2.2 滞后平均预报  11
    1.2.3 四维变分同化方法  11-12
    1.2.4 繁殖模增长法（Breeding Vector）  12
    1.2.5 奇异向量方法（Singular Vector）  12-13
    1.2.6 观测扰动法（PO）或综合扰动法  13-14
    1.2.7 集合卡曼滤波方法（EnKF）  14-15
  1.3 本文研究目标及内容  15-16
  1.4 章节安排  16-17
  1.5 参考文献  17-21
第二章 模式介绍  21-27
  2.1 正压准地转模式  21-22
  2.2 T21L3 斜压准地转模式  22-25
    2.2.1 模式理论框架  22-24
    2.2.2 切线性以及伴随模式的检验  24-25
  2.3 参考文献  25-27
第三章 方法介绍  27-37
  3.1 幂法（POWER METHOD）求奇异向量系  27-31
    3.1.1 基本思想  28
    3.1.2 迭代计算公式  28-29
    3.1.3 收缩法求B  29
    3.1.4 模式中矩阵A 的计算  29-31
  3.2 非线性优化方法求CNOP和第一SV  31-32
  3.3 集合预报质量评估方法  32-35
    3.3.1 集合平均  32-33
    3.3.2 集合离散度和预报技巧的关系  33-34
    3.3.3 Talagrand diagrams  34-35
  3.4 参考文献  35-37
第四章 正压准地转模式的集合预报试验  37-61
  4.1 前言  37
  4.2 试验设计  37-38
  4.3 数值结果  38-42
    4.3.1 分析场的产生  38-39
    4.3.2 预报试验  39-42
  4.4 原因分析  42-48
  4.5 集合预报质量评估  48-53
    4.5.1 集合离散度和预报技巧的关系  49-52
    4.5.2 Talagrand diagrams分布图  52-53
  4.6 一些敏感性试验  53-56
    4.6.1 集合平均预报技巧对不同CNOP组合的敏感性  53-56
    4.6.2 模式中外强迫的加入对预报技巧的影响  56
  4.7 小结和讨论  56-57
  4.8 参考文献  57-61
第五章 T21L3 斜压准地转模式中的CNOP  61-85
  5.1 引言  61
  5.2 理论框架  61-63
  5.3 数值试验  63-82
    5.3.1 位涡拟能范数  63-65
    5.3.2 流函数平方范数  65-68
    5.3.3 能量范数  68-82
  5.4 小结和讨论  82-83
  5.5 参考文献  83-85
第六章 T21L3 斜压准地转模式的集合预报试验  85-101
  6.1 引言  85
  6.2 集合预报数值试验  85-93
    6.2.1 试验设计  85-86
    6.2.2 试验结果  86-89
    6.2.3 进一步分析  89-93
  6.3 综合质量评估  93-95
  6.4 小结和讨论  95-96
  6.5 参考文献  96
  附录：不同初始约束范数下的CNOP  96-101
第七章 激发阻塞爆发的最优初始扰动  101-119
  7.1 引言  101-102
  7.2 阻塞的定义  102-103
  7.3 非线性优化问题的理论框架  103-105
  7.4 激发阻塞爆发的最优扰动  105-110
  7.5 与流函数平方范数意义下的CNOP和SV的关系  110-113
  7.6 阻塞爆发的动力机制  113-115
  7.7 小结和讨论  115-116
  7.8 参考文献  116-119
第八章 总结和讨论  119-123
  8.1 本文的主要内容  119
  8.2 本文的主要结论  119-121
  8.3 本文的主要创新点  121
  8.4 讨论  121-123
博士期间发表的论文以及参加的学术会议  123-124
致谢  124

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 大气科学（气象学） > 天气预报 > 预报方法
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