基于垂直温度梯度对WRF-RUC模式山东2 m温度订正研究

为了减小观测站实际地形高度与对应模式地形高度的差异给2 m预报温度带来的误差,基于垂直温度梯度设计两种订正方案:第1种方案假定整层大气温度垂直梯度为-0.006 5℃·m-1;第2种方案计算了距离观测站实际地形高度最近的两层模式温度间的垂直梯度。利用两种方案对天气与预报快速跟新循环(简称WRF-RUC)模式2016年10—12月山东逐日2 m预报温度进行订正并对比订正前后的预报效果,对高度差异最大的泰山站2 m预报温度的订正效果进行研究。结果表明:(1)山东大部分观测站的实际地形高度与对应模式地形高度差异较小,导致两种方案订正效果不明显;(2)对泰山站2 m预报温度的订正,第1种方案在预报前期有正效果,在预报后期出现负效果;第2种订正方案在整个预报时段呈现正效果;(3)WRF-RUC模式2 m预报温度存在负的系统偏差,导致第1种方案在预报后期对泰山站2 m预报温度的订正存在负效果,第2种方案有效克服了逆温影响,对泰山站2 m预报温度的订正效果更优。     

延伸期温度预报误差订正技术初探

应用滑动平均误差订正方法和历史偏差订正方法,对欧洲中期天气预报中心的数值模式延伸期2 m温度预报进行误差订正。研究发现,应用滑动平均误差订正方法进行11～15 d逐日温度预报订正时,25～30 d是最优的训练期长度。对2018年订正预报的检验分析显示,应用上述两种误差订正方法均可减小模式预报的系统偏差,有效修正模式温度预报较实况明显偏低的问题,并将预报准确率提高30%以上。在6—10月,订正后的温度预报平均绝对误差基本在2℃以内,具有一定的参考性,其业务化产品可支撑预报员的业务预报需求。在15 d内的延伸期预报时效上,两种订正方法对温度预报的订正效果差异并不明显。随着时效的延长,历史偏差订正方法的优势逐渐显现。     

华南区域模式在湖南省的2 m温度预报检验与订正研究

基于2019年8月至2020年7月华南区域模式（CMA-GD）预报和湖南97个国家站2m温度实况,开展了模式温度预报检验和逐步回归订正技术研究。结果表明,华南区域模式2m温度预报与实况变化趋势基本一致,预报偏差具有明显日变化,白天准确率下降、夜间升高,随着预报时效的延长,偏差增大;夏半年预报偏差大于冬半年;湘西预报效果优于湘东;00时起报的2m温度预报优于12时起报。基于华南区域模式预报产品,区分起报时次和季节的2m温度预报逐步回归订正预报效果较好,订正后预报相对于模式预报误差下降、准确率提高,有明显正技巧,对12时起报的模式预报效果改善更大,不同站点订正效果略有差异,对预报误差较大站点,订正效果明显。     

贵州省本地化温度客观订正算法探究

利用2019年4月1日—7月31日的0～240 h欧洲中期天气预报中心2 m温度预报和2019年4月1日00时—7月31日00时贵州省境内364个自动气象观测骨干站点的温度观测资料,分别基于时间持续偏差订正(滑动平均)和类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建单模式的温度订正方案和客观算法模型,进而对欧洲中心2019年7月1日—7月15日的2 m温度预报进行客观订正。结果表明:时间持续偏差法构建的方案对订正效果不好,平均绝对误差值(MAE)均比原始数值预报大。相比之下,采用类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建订正方案对部分站点的预报有着非常显著的订正效果,平均绝对误差值在大多数时效上比数值预报本身小,且经过参数优化方案之后,又进一步提升了订正效果。订正模型的训练方案仍然有很大的改进空间,有望提高有效订正站点的数量。     

GFS模式地形高度偏差对地面2m气温预报的影响

利用2016年1月1日—12月31日全球预报系统(GFS,Global Forecasting System)1～5 d的2 m气温预报资料,以及同期中国地面气象站2 m气温观测资料,研究模式地形高度偏差对地面2 m气温预报的影响。结果表明,较大模式地形高度偏差可严重影响2 m气温模式预报性能,导致较大预报误差。随着模式预报时效延长,2 m气温预报均方根误差也略有增加。比较模式地形高度偏差和预报时效对于模式预报性能的影响,发现模式地形高度偏差对于模式预报效果的影响更加显著。两种地形订正方案,即不做温度垂直订正的线性回归以及对温度进行垂直订正的线性回归都能显著减小2 m气温模式预报的误差,后者的订正效果更好。     

福建省ECMWF细网格模式2 m温度预报误差分析与订正

选取2022年1月1日—12月31日ECMWF细网格模式2 m温度预报24 h以内预报时效产品和对应时次的福建省70个国家站观测资料进行分析,采用ARIMA(差分自回归移动平均)模型和双权重ARIMA模型分别对2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行对比分析。结果表明：1) ECMWF模式2 m温度预报在福建省主要呈现冷偏差,随着预报时效的增加,均方根误差和准确率随之变差;分别用两种模型进行订正,平均绝对误差由2.1℃以内减小到1.6℃以内,均方根误差从2.5℃以内降低到2.1℃以内,且偏差越大,订正效果越明显。2) ECMWF模式2 m温度逐月预报效果差异较大,订正后各评价指标均有显著改进,各月平均误差在-0.5—0.5℃。3) ECMWF模式2 m温度预报偏差主要表现为福建东部沿海小、中西部较大;订正后平均绝对误差和均方根误差减小至2℃以内,且对高海拔地区的站点改善效果更加明显。与ARIMA模型相比,双权重ARIMA模型订正后平均绝对误差与均方根误差更小、准确率更高,订正效果更好。     

地面气温的概率预报试验

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,对中国气象局(CMA)集合数值预报产品进行温度概率预报试验。分别应用降尺度技术、系统偏差订正及降尺度与系统偏差订正相结合的方法对2008年1月的气温进行试验。结果表明,通过Brier评分和ROC分析的检验,在24～240 h预报中,都得到了明显改进,在进行降尺度和系统偏差订正相结合的方法下,预报技巧的改进更加明显,优于单个方法独自使用的效果。RPS评分检验则表明:在168 h内,两种改进方案相结合的概率预报效果明显优于单一改进方法的使用;168 h后,预报效果逐渐下降不如系统偏差订正的效果,但优于降尺度技术的改进。总体而言,3种方法对地面气温的概率预报都有正的技巧预报,对预报时效较短(7天前)温度概率预报技巧高于预报时效较长的(7天后)。     

GRAPES_RAFS系统2 m温度偏差订正方法研究

本文通过对2013年6月20日至7月20日GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)_RAFS(Rapid Analysis and Forecast System)系统每天8个时次每3h的2 m温度预报进行分析,发现各时次的预报均能较好地表征2 m温度日变化特征,但预报与实况存在一定的偏差,其中西藏东部川西高原、云贵高原、江南武夷山脉偏低于实况可达3℃,而华北地区偏高于实况3℃以上.为了减小GRAPES_RAFS系统偏差对2m温度预报的影响,本文采用平均法、双权重平均法、滑动平均法和滑动双权重平均法分别对GRAPES_RAFS系统2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行检验分析和对比.结果表明:2 m温度订正后的平均误差大部地区减小到(一1～1℃),而均方根误差大部地区降低到2.5℃内.对于偏差较大地区,订正效果更为明显,如西藏东部川西高原,经过订正,平均误差绝对值由订正前3℃以上降低到1℃内,而RMSE由订正前4℃以上控制到3℃内.对比四种订正方法,双权重订正方法与平均法订正整体效果接近,但对个别站点,双权重订正法要优于平均法,经过滑动的订正方法比无滑动的订正方法订正效果更好,订正效果最好的是滑动双权重平均法,全国平均误差大部分在(-0.5～0.5℃)内,不超过(-1～1℃)的范围.     

GRAPES-GFS模式2 m温度预报的最优时窗滑动订正方法

利用2017—2018年GRAPES-GFS模式预报资料和广西区域自动站逐时气温观测资料,分析模式预报偏差特征,发现GRAPES-GFS模式对广西区域2m温度的预报系统性偏低,随着预报时效增加,预报偏差增大,系统性偏差主要出现在桂北山区、左右江河谷及沿海;春夏秋三季的午后气温预报偏差有明显的系统性,冬季午后气温和四季凌晨气温预报偏差的随机性较大。为了确定滑动订正的最优时窗,通过活动时窗长度的方法,设计不同的滑动订正方案,制定最优时窗滑动订正方案,并进一步利用2020年最优时窗滑动订正业务试验产品,对比验证了该方案的订正效果。结果表明:分别采用固定时窗、季节最优时窗、月份最优时窗等滑动平均订正方案进行订正,春夏秋3季的订正效果明显好于冬季、午后订正技巧高于夜间,其中固定时窗滑动平均方案中的长时窗(15～60d)订正、季节最优时窗滑动订正以及月份最优时窗滑动订正这几种方式订正效果最优;所制定的最优时窗滑动平均订正方案,可以在不同滑动方案的基础上稳定地提高预报准确率,达到最优时窗滑动的目的。     

T213全球集合预报系统性误差订正研究

针对模式系统性误差一直存在的现状,研究使用卡尔曼滤波的自适应误差订正方法对国家气象中心业务全球集合预报系统的系统性误差进行估计和订正.本文主要介绍这种方法及其原理,其优点是需要的样本量比较小,能够快速经济地对模式产品进行有效的误差估计和订正.使用这种方法对全球T213集合预报系统500 hPa高度场、850 hPa温度场和2 m温度的预报产品进行一阶偏差订正,对订正前后集合预报产品进行检验分析和对比,结果表明,订正后的高层形势场集合预报和2 m温度集合预报的均一性、集合平均的均方根误差和距平相关系数都得到了改善,系统性偏差得到了不同程度的订正,对于存在较大系统性误差的2 m温度预报,订正效果尤其显著.     

CMA-MESO三维变分同化系统2 m相对湿度资料同化研究

为了提高CMA-MESO （China Meteorological Administration Mesoscale model）（原GRAPES）三维变分同化系统中2 m相对湿度资料的应用效果,改善模式中相对湿度的分析和降水预报效果,分析了2015年6—8月T639（T639L60全球中期数值预报系统,0.28125°×0.28125°）分析场低层相对湿度和2 m相对湿度之差与表征稳定度的理查森数（Ri）的关系,发现二者有很好的相关,Ri＜0时,模式低层相对湿度与2 m相对湿度的差异较小,基本在同化观测误差范围内。依据该统计结果,对CMA-MESO同化系统中2 m相对湿度同化方案进行优化,Ri＜0时,将观测站地形低于模式地形的2 m相对湿度观测由观测站高度改为模式最低层高度进行同化,形成新的2 m相对湿度同化方案,旨在解决2 m相对湿度资料同化时模式地形高度与观测站高度不同的影响。2018年7月CMA-MESO三维变分同化系统（3DVar）个例和连续试验结果显示:新的2 m相对湿度同化方案同化分析资料数量明显增加,且08时多于20时（北京时）,新增观测点新息向量（背景减观测）与周围原有观测新息向量保持基本一致,分析残差偏差和均方根误差减小,降水预报效果明显改善。新2 m相对湿度同化方案通过提高观测站低于模式地形高度的观测资料合理应用,从而改善了3 km模式系统同化分析和预报效果。      

T639模式预报系统误差统计和订正方法研究

通过统计2009—2010年T639模式500 hPa高度、850 hPa温度和2 m温度的1～10天预报场的平均误差发现,T639模式的这些气象要素预报都存在明显系统误差,且系统误差随着预报时效的增加而增加。利用＂递减平均法＂尝试订正其预报系统误差,订正结果表明：该订正方法总体表现为正的订正技巧,但订正能力随着预报时效的增加而下降;东亚地区的系统误差小于整个北半球,＂递减平均法＂的订正能力总体小于整个北半球。对比夏、冬半年订正效果发现：对于500 hPa位势高度和850 hPa温度的预报场,冬半年和夏半年订正技巧相当;对于地面2 m温度预报场,冬半年订正能力明显高于夏半年。不同权重系数试验表明：对于500 hPa高度场,权重系数约取0.06时,订正效果较好,而对于850 hPa和2 m温度场,权重系数约取0.1时,订正效果最佳。     

2m气温集成订正方法及在冬奥延庆赛区的应用北大核心CSCD

为提升北京冬(残)奥会气象服务保障能力,利用2018—2021年1月1日—3月28日欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式预报产品以及冬奥延庆赛区8个自动气象站的2 m气温实况,通过基于地形修正的模式偏差订正和支持向量机算法,构建赛区不同海拔高度站点72 h预报时效内逐3 h的2 m气温集成订正方法。2022年北京冬(残)奥会前夕及赛事期间应用评估表明:集成订正方法对延庆赛区2 m气温的预报准确率为0.856,平均绝对偏差为1.08℃,订正效果较单一订正方法更优,尤其针对海拔高度高出模式地形高度的站点订正性能更为突出,同时,对超阈值及关键过程的气温订正效果也表现较好。对于延庆赛区大多数站点而言,该方法订正的72 h预报时效内逐3 h的2 m气温平均绝对偏差总体上表现出一定的日变化特征,且0~24 h,24~48 h,48~72 h预报时效之间偏差变化相对平稳,但不同站点的日变化趋势存在差异。随着预报时效增加,该方法订正的2 m气温平均绝对偏差的变化趋势表现出海拔依赖性。     

基于CMA-BJ数值预报模式产品的复杂地形下冬奥站点地面气温和风速预报方法研究

北京冬奥服务对站点气象要素预报提出了明确需求,2 m气温预报偏差在±2℃以内,10 m风速预报平均偏差小于观测的30%,文中提出一种基于相似集合嵌套一元线性回归的预报方法—嵌套相似集合（AnEn-Ne）,该方法基于相似集合思路,在满足一定条件时,启动其嵌套一元线性回归提供订正预报。冬奥赛期（2021年11月1日—2022年3月15日）实时业务预报表明,嵌套相似集合具有较好的预报效果,相对业务数值模式（CMA-BJ）预报,预报精度显著提高,相对相似集合预报和一元线性回归预报精度明显提高,其预报结果满足冬奥服务需求。复杂地形下的要素预报检验表明,CMA-BJ模式预报2 m气温虽然存在较明显的系统偏差,但与观测相关较强,对观测的表征意义明显,订正后能有效消除复杂地形影响,10 m风速模式预报偏差振荡明显,模式预报与观测相关较弱,表征意义差,订正后站间差异明显;改进CMA-BJ模式复杂地形区近地面风速预报对观测的表征意义,可进一步提高该预报方法对10 m风速订正预报的精度。     

四川地区多模式2m温度预报性能分析及集成方法研究

本文通过分析2017年9~12月四川地区ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting)细网格模式、GRAPES_GFS(Global and Regional Assimilation and Prediction System)全球模式和西南区域模式(South West Center-WRF ADAS Real-time Modeling System, SWCWARMS)2m温度168h预报时效内的系统性偏差特征,采用滑动双权重平均法分别对三种模式温度预报产品进行偏差订正,并集成得到各时效2m温度的订正场,结果表明:(1)三种模式的预报存在明显的日变化,整体上EC模式的预报最优。(2)三种模式对于低温和高温的预报,在全省均大致呈现负的系统性误差,特别在高原及过渡区表现的尤为明显。(3)订正后三种模式的预报准确率显著提高,均方根误差减小1.4~2.5℃,大部分地区平均误差维持在±0.5℃之间,在系统性偏差较大的地区,订正效果更好。(4)两种集成方案预报结果接近,且均优于三种模式的订正预报。     

EC细网格2m温度对沧州市的预报能力检验及订正

利用EC模式对2017年沧州市14个国家基本站2m最高、最低温度的24、48、72h预报结果,采用预报准确率、平均误差、平均绝对误差和皮尔森相关系数等统计方法进行检验及订正。结果表明:EC模式对不同预报时效预报准确率,最高温度模式20时起报高于08时,最低温度08时起报高于20时;随着预报时效的延长,模式预报准确率逐渐下降。预报准确率最高温度区域差异不明显,月际变化大;最低温度区域差异显著,月际变化不均。EC模式对沧州温度的预报误差主要由系统误差造成,温度预报绝大多数的大值误差出现在转折性天气阶段,当出现明显升温和高温时,最高温度预报偏低更明显,出现明显降温时,最低温度预报偏高。对2018年1-4月EC模式预报最高、最低温度进行系统和大误差订正检验,发现订正后预报效果更好。     

四川地区EC细网格模式2m温度偏差订正研究

本文选取2017年1~12月ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting)细网格模式168h预报时效的2m温度场和对应时段四川地区157个国家站的观测资料,对比分析了模式温度预报的系统性偏差特征,采用15日周期的滑动双权重平均法对2m温度预报产品进行偏差订正,并与四川省气象台现有的主、客观预报产品进行对比,结果表明:(1)EC模式对低温的预报准确率远高于高温预报准确率;订正后高、低温预报准确率均有显著提高,其中低温平均提高了20.5%,高温提高了31.2%,平均绝对误差分别减小约1.1℃和2.9℃。(2)EC模式高温预报的逐月差异明显比低温预报逐月差异大,订正后差异明显减小,且各月的高、低温预报准确率均有显著提升,订正后各月高、低温的平均绝对误差均在2℃之内。(3)EC模式对于低温和高温的预报在全省均大致呈现负的系统性误差,且高温预报的系统性误差明显比低温预报的系统性误差大,订正后2m温度预报的系统性误差均明显降低,全省大部分地区维持在±1℃之间。(4)与四川省气象台现有的主、客观预报产品对比显示,对于高低温预报均是EC订正后准确率最高、平均绝对误差最小,订正效果较为理想。     

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大（对模式地形高度偏低站点尤为明显）,但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高（即模式地形高于测站高度）和地形高度偏差小于50 m的站点,06时地面气温（世界时,下同）预报总体偏低,对地形高度偏低大于50 m的站点（即模式地形低于测站高度）,06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。     

相似误差订正方法在风电短期风速预报中的应用研究

为降低风电场短期预报风速误差,减少风电场短期风功率偏差积分电量,提高风电场发电功率预测准确率,分季节研究了相似误差订正方法对ECMWF单台风机预报风速的订正效果。结果表明:相似误差订正后不同风机预报风速的误差差距减小;预报风速的平均绝对偏差和均方根误差明显降低,其中夏季和秋季华能义岗风电场两个指标降低幅度均超过0.1 m/s、会宁丁家沟风电场均超过0.2 m/s;订正风速削减了原始预报的极值,可反映大部分时段实况风速3 h内的趋势变化,个别时段订正风速与实况趋势相反;订正后预报风速在风功率敏感区的平均绝对偏差明显降低,华能义岗风电场四季降低幅度在0.112~0.242 m/s之间、会宁丁家沟风电场四季降低幅度在0.131~0.430 m/s之间,有效降低了原始预报误差带来的短期风功率偏差积分电量扣分值;订正风速较原始预报更多分布在风功率敏感区。该方法实际应用灵活,对提高风电场短期预报风速准确率有可观的效果,并可有效减少短期风功率偏差积分电量考核。      

基于经验模态分解的西安市空气质量预报订正方法

为提高城市空气质量预报的准确率,研制了针对数值预报模式CAPPS2的订正方法,对2001—2007年西安市逐日PM10、SO_2、NO_2浓度均值和相应的降水、风速作经验模态分解(EMD)分析,用最大熵谱方法检验各本征模态函数(IMF)周期,计算其方差贡献率,制定订正方法并进行数值试验。结果表明:PM10浓度波动以周尺度为主,有明显周末效应,与主要清除过程匹配较好;SO_2、NO_2浓度波动与主要清除过程不同步;基于周末效应的订正规则对PM10、SO_2订正效果较理想,对NO_2订正效果不确定。