集合预报发展的关键问题之一是集合初始扰动的构造,以准确描述大气不确定性。合理的初始扰动可以合理描述预报误差结构,其质量将直接影响集合预报的整体性能。本文针对模式初值的不确定性,在综合评估集合扰动质量的基础上,研究揭示了集合预报初始扰动的物理空间结构和演变特征,为合理构建集合初始扰动提供理论依据。首先对欧洲中期全球集合预报、T639全球集合预报以及GRAPES区域集合预报的质量进行评估分析;其次,从集合扰动的物理结构、离散度的演变特征以及扰动能量的时空分布等不同角度,分析了集合预报风场和质量场初始扰动的相关特征。最后,通过数字滤波将不同空间尺度的集合扰动分离,研究了不同尺度天气系统影响下各物理量初始扰动的发展特征,探讨两者间的可能联系,揭示大尺度与中小尺度集合扰动合理演化的规律。主要结论如下:(1)初始扰动分布在主要天气系统附近,并具有流依赖特性,能随天气形势而演变。不同尺度扰动的演变与天气系统的尺度有关,受天气尺度系统的影响,扰动会升尺度传播并大范围扩散;小扰动则主要受中小尺度天气系统支配,其发展能与降水强度保持一致且分布较局地。(2)离散度的演变同样符合天气形势的变化。针对不同纬度带,中高纬地区的离散度快速发展而低纬地区则存在离散度明显不足的现象。合理增长的离散度能够反映扰动捕捉预报误差的能力,相比之下欧洲中心全球集合预报具有更合理的扰动结构,但不如另两种适用于中国地区。(3)扰动能量同样能随预报时效增长,扰动内能在对流层低层发展较快,而高层则以扰动动能的发展为主,并且扰动动能在整个演变过程中占主导作用。区域集合预报初期出现的较大虚假扰动主要是由对流层高层的虚假扰动内能造成。此外,对流层高层扰动能量的发展均比低层迅速,这意味着要想增大低层物理量的离散度会比高层更加困难。