摘要采用增长模培育（Breeding of Growing Modes，BGM）法开展有限区域模式短期集合预报研究，亟需解决的问题是集合预报扰动的发展及演变。因此论文结合经典的适时缩放培育思想，利用增长模培育法，基于WRF36模式（采用WRFARW），开发和构建了一个包含水平风场、垂直速度、位温扰动、位势扰动和水汽混合比共6个基本物理量的区域短期集合预报系统（WRFEPS）。在此基础上，以2016年6月整月我国南方大范围暴雨为样例，针对扰动发展与演变的典型问题进行了探讨。试验结果表明：1）模式大气高、中、低三层的物理量扰动增长可以分为两个阶段，第一阶段为扰动快速线性增长，该阶段内扰动快速完成全部涨幅；第二阶段为非线性稳定阶段，从快速线性增长过渡到非线性稳定阶段大约需要24 h。2）各物理量的扰动增长率、相关系数以及增长模进入非线性稳定阶段的时间大致相同，但对于同一等压面不同物理量或同一物理量不同等压面，每个参数达到非线性稳定后的数值大小及演变规律存在差异，且随时间演变均伴有日内振荡现象。3）对于扰动振幅相同但初始随机模态不同的初值集合，不同隨机模态对扰动培育的影响主要是在扰动的非线性稳定阶段，而在快速的线性增长阶段，它们之间的差异很小。4）对于初始随机模态相同但振幅不同的初值集合，不同扰动振幅对扰动演变的影响主要是在扰动的快速线性增长阶段，而在非线性稳定阶段，它们之间的差异很小，并且不同初始振幅对扰动进入非线性稳定阶段的时间基本没有影响。
关键词短期集合预报；初始扰动；线性增长；非线性增长；增长模培育
集合预报从诞生以来，它的理论与应用得到了很大丰富与发展，形成了针对各种不确定性类型的研究分支，其中基于初始不确定性开展集合预报仍然是该领域的经典问题。比较有代表性的理论有Monte Carlo法（Leith，1974）、时间滞后平均法（Hoffman and Kalnay，1983）、增长模培育法（Toth and Kalnay，1993，1997）、奇异矢量法（Buizza and Palmer，1995；Molteni et al.，1996）、观测扰动法（Houtekamer et al.，1996；Houtekamer and Mitchell，1998）、集合卡尔曼滤波变换法（Bishop et al.，2001，2003；Wang and Bishop，2003；Wei et al.，2006）、集合变换法（Wei et al.，2008）以及集合卡尔曼滤波法（Schwartz et al.，2014，2015a，2015b）等，这些理论在全球模式或中长期天气以及气候初值集合预报中取得了较大成功。但直接应用于有限区域模式集合预报仍然存在诸多问题，比如系统发散度较小、集合成员计算冗余易收敛等问题。导致这些问题的原因一方面可能是基于全球范围的数值模式动力框架与有限区域模式存在差别，另一方面可能是计算区域的局地化以及侧边界的引入都给有限区域模式开展短期集合预报增加了难度。如何应对这类问题，归结起来，主要包括两类：一类是有限区域模式的集合扰动成员初值及其边界来源于全球模式集合预报成员的降尺度（Bowler et al.，2008a，2009；Bowler and Mylne，2009）；另一类是来源于多个分析中心或多个全球模式的最终分析值作为初值扰动成员（Du and Tracton，2001；Du et al.，2003；Arribas，2005；Bowler et al.，2008b）。陈静等（2005）提出了一种专门针对中尺度暴雨集合预报初值扰动方法—异物理模态初值扰动法。智协飞等（2015） 基于WRF模式建立了2009 年 8 月 1—31 日西北太平洋台风路径和强度的集合预报试验系统WRFEPS，并将其结果与TIGGE集合预报资料中 4 个中心的预报进行多模式集成，24～72 h集成预报结果表明，WRFEPS与TIGGE多模式预报结果进行集成的预报效果较好。张涵斌等（2014）基于GRAPES模式利用集合变换卡尔曼滤波方法（ETKF）构建了一个区域集合预报系统，并取得了较好效果。李俊等（2015）和庄潇然等（2016）也通过对ETKF方法的研究，开展了短期初值集合预报研究，取得了一些有意义的结论。但基于这些理论开展短期集合预报成功与否很大程度受限于观测资料的时空密度、数据质量以及稳定性，例如基于ETKF理论的集合预报系统通常低估分析误差协方差，其初始扰动集合演变以及放大因子均受观测值和海陆分布的影响（Kay and Kim，2014）。
从当前研究看，作为经典的BGM法，它在有限区域模式短期集合预报中的应用与研究还有待深入，特别是区域短期集合预报的扰动发展与演变认识值得研究，并且当前大部分学者对其认识主要基于BGM法在中长期集合预报或者全球模式集合预报中的表现（于永锋和张立凤，2005；关吉平和张立凤，2009）。在全球中期集合预报中集合预报扰动的培育时间尺度约3～4 d，区域短期集合预报是否仍需3～4 d的培育时间，如果不需这么长时间，那么采用中期集合预报BGM法的应用原则用于区域短期集合预报可能既浪费计算资源又阻碍了BGM法在区域短期集合预报中的进一步应用与发展，加之集合预报初始扰动的演变研究是开展集合预报的基础工作，也是制作集合预报的关键环节。因此，论文采用主流区域模式WRF 模式，以2016年6月整月我国南方大范围暴雨过程为例，针对集合预报的扰动演变系统性地开展批量试验，以期揭示短期集合预报系统中扰动演变与发展的内在规律，这对开展短期集合预报具有理论价值，也可为集合预报系统的业务应用提供重要参考。
1系统简介与模式选取
11系统简介
集合预报初始扰动生成是初值集合预报的核心问题。目前出现的一些方法，例如集合变换法（Wei et al.，2008）、集合卡尔曼滤波变换法（Wang and Bishop，2003）以及集合卡尔曼滤波方法（Schwartz et al.，2014，2015a，2015b），这些理论需要资料同化系统提供分析误差协方差矩阵或者需要实时观测值参与到集合扰动的培育增长循环，而本文聚焦的目标是考察纯集合扰动在有限区域模式短期集合预报过程中的演变规律，因此选取动力学意义明确的增长模培育法BGM法作为初值集合预报扰动成员的构造方法。