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由于大气系统的混沌性,数值预报对初始条件非常敏感。近期研究表明,即使小尺度、小振幅初始误差也会对中尺度数值预报造成很重要影响。误差的快速增长依赖于湿对流活动,并与大气环流型结构密切相关。本文利用中尺度数值模式MM5,对2003年7月4日~7月6日的一次江淮梅雨锋暴雨过程进行了可预报性研究。重点分析梅雨锋暴雨的实际可预报性特征、大尺度初始误差的降尺度过程、不同尺度误差的演变规律、以及误差的空间传播机制等。 初始分析资料的来源不同给模拟带来实际初始条件不确定性,由此产生的预报误差增长问题被称为实际可预报性。实际初始误差主要集中在较大尺度上,随积分的进行,中、小尺度误差很快发展起来。根据误差的尺度特征,可将大尺度实际初始误差的增长过程分为五个阶段:1)0~3小时大尺度误差的降尺度过程;2)3~6小时小尺度误差快速增长,达到饱和;3)6~12小时,中尺度误差增长占主导,误差出现平衡特征;4)12~21小时,大尺度平衡误差迅速增幅;5)误差能谱结构基本保持不变,各尺度误差共同增长。 大尺度误差的降尺度主要通过以下过程实现:在初始扰动气压场的大尺度偏移以及大尺度风场误差的平流作用下,低压中心附近产生中尺度的PV误差,造成降水偏差,激发出许多孤立的小尺度雨水混合比误差。水汽相变过程中的非绝热加热,引起小尺度位温误差,最终导致小尺度对流误差的产生。在此过程中,非绝热加热起着非常重要的作用。 通过减小初始误差振幅的方法,能够提高数值预报的精度。但是随着初始误差振幅的减小,误差增倍时间也迅速减少,也就是说可预报性的提高效果越来越不明显。采用减小初始误差振幅的方法,仅能改善梅雨锋暴雨前18个小时的预报效果。这说明即使初始误差为非常小振幅的随机误差,中尺度数值模拟仍然具有固有的可预报性限制。 误差在空间上的迅速传播对分析区域内误差增长非常重要:甚至在没有湿对流不稳定条件的地方,误差都能通过逆基本气流传播得到累积。初始误差的空间传播过程表现为从呈圆形的四周扩散向波动形式的上游、下游传播转变。并且在圆形扩散初期误差的振幅快速增大、但中心位置基本保持不变;而在传播特征从圆形扩散向波动上、下游传播机制的过渡阶段中,误差的振幅出现衰减,其中心随平流作用向下游移动。 误差的传播特征与尺度有关。小尺度误差通过声波快速、等方向四周扩散,随着对流的发展,扩散后的误差会发生破碎——能量逐渐集中在新生的对流尺度误差上,而这些新生小尺度误差在振幅增加后又再次经历等方扩散过程。小尺度误差通过这种“循环”方式不断积累并升尺度增长。中尺度误差产生后,一方面,随湿对流缓慢向下游移动;另一方面,通过重力波向上游和下游波动传播。其中,向上游的逆基本气流传播,使局地误差能够持续积累:即使远离初始误差源、没有强烈湿对流的上游地区,也会由于误差的逆基本气流传播而表现出波动形式的误差发展。小尺度误差的声波等方扩散和中尺度误差的重力波波动传播特征均不受非绝热加热作用的影响。 为了从更一般意义上考虑梅雨锋暴雨的可预报性特征,本文对理想梅雨锋系统中的误差增长过程进行了分析。理想初始条件包含纬向均匀的高、低空急流和相对湿度空间分布、以及对流层低层三维暖心涡旋扰动。数值模拟的锋面系统具有较强高、低空急流;锋面两侧相对较弱的水平温度梯度、强烈的湿度对比以及低层气旋性切变线和强暖湿空气输送,与典型梅雨锋降水环境特征相似。 对理想梅雨锋降水过程的可预报性研究表明:初始小振幅误差首先在湿对流活跃区迅速发展,随后误差遍布到整个低压区域。在强烈湿对流作用下,各尺度误差共同迅速增幅,其中小尺度和中尺度误差会随着降水的增强、减弱而表现出波动形式的发展趋势;而大尺度误差在迅速增长后逐渐达到饱和,并维持着较缓慢的增长速率。在垂直结构方面,干误差总能量(DTE)具有从下向上传播的特征,误差主要集中在对流层中层,这是因为湿对流的潜热能误差(LHE)在对流层中层(600 hPa附近)始终具有较高误差值。积分24 h后,低层湿度误差迅速增加,从而导致DTE在900 hPa以下形成一个局地大值中心。本文定义了湿扰动总能量MDTE,将DTE和LHE的特征线性组合,并选取潜热能误差的权重wq=0.2。MDTE即包括了DTE从700 hPa向500 hPa传播的特征,又包含了潜热能误差在600hPa和对流层低层的维持。湿对流对误差增长具有重要作用。逐渐减少理想初始环境场湿度后,湿对流活动减弱,模拟降水量减少、降水产生时间推迟,误差增长受到抑制。