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最近研究表明,初始场中即使只含有小振幅、小尺度的随机初始误差,也会影响短期的确定性中尺度数值预报,这种误差的快速增长主要依赖于湿物理过程和大气流型结构等大气内在不稳定性。本文利用中尺度数值模式,对2003年7月4~6日的一个典型梅雨暴雨过程中小尺度、小振幅随机扰动初始误差的快速增长机制、空间结构进行分析,研究初始误差对梅雨暴雨中尺度可预报性极限的影响。
梅雨暴雨具有多尺度、弱斜压性等暖季降水的特征,误差增长结构明显不同于中纬度天气系统。初始误差增长的最优尺度存在更宽尺度谱,80~120 km尺度的误差可以同时增长。经过36 h,误差能量不断从小尺度向中尺度传播,但误差能谱的峰值尺度仍然维持在120 km以下,这一特征尺度明显低于强斜压性湿系统的最优增长尺度。
基于整个暴雨过程的误差增长与总降水之间关系的分析,误差增长存在三个特征阶段,其阶段差异性主要体现在误差尺度增长、误差振幅增长在总体误差增长中贡献的不同。在第一阶段中,初始误差的尺度和振幅同时增长,主要以振幅增长为主,取决于对流不稳定性。在第二阶段中,误差振幅基本保持不变,但误差增长主要表现为其尺度增长,主要与梅雨系统的能量频散有关。在第三阶段中,由于梅雨锋边界限制了误差水平尺度增长,达到尺度饱和,而新生中尺度对流系统引发误差振幅的再次增长。梅雨暴雨的误差增长与梅雨暴雨系统的多尺度性、持续性对流系统发展等密切相关。
为了从一般意义上考虑梅雨暴雨的可预报性,文中对近十年梅雨暴雨时间、空间分布和天气系统对降水的影响机制做了归纳总结,梅雨暴雨存在外强迫型、自组织型和非组织化局地型等三类。外强迫型梅雨暴雨包括过程性冷槽推进型、西南涡移出型和北槽南涡型,它们是由大尺度环流的动力强迫抬升或冷空气南下形成的不稳定层结触发持续性暴雨;自组织型梅雨暴雨主要是在切变线和低空急流等的弱环境强迫下形成的暴雨;非组织化局地暴雨存在午后热力强迫的强对流和副高边缘对流不稳定形成的短时暴雨两种形式,局地的对流不稳定是暴雨产生的主要原因。
在上述工作基础上,利用随机误差试验和系统误差试验对比分析三类五种梅雨暴雨的误差增长特征和增长机制。高空冷槽、低层涡旋、边界层附近冷池、重力波在五种暴雨类型中的误差增长发挥各自不同的作用。它们空间水平尺度各不相同,但它们都能够促使误差能量由小尺度向大尺度频散,降低局地中小尺度误差能量,提高中小尺度的预报精度。系统扰动性误差能够快速适应最优增长尺度,模式对初值误差的调整很小,可引起局地强对流天气的误差快速增长。这说明,引入中尺度系统性误差,对增加短期集合预报系统成员的样品覆盖率非常重要。总体误差能量与对流活动的水平分布一致,在对流发展阶段,总体误差能量存在850 hPa,和300 hPa两个高度上的峰值,它们与湿物理过程中的雨水和云水相对应。以上结果表明对流不稳定性和多尺度相互作用是梅雨暴雨误差增长的本质特征。不同暴雨类型的温度和动量偏差的垂直结构有所差异:有冷空气侵入的冷槽推进型和北槽冷涡型存在中层的高值温度偏差;有冷池产生的西南涡移出型、北槽冷涡型、自组织型、非组织局地型在低层存在动量偏差的高值中心。