BP-CCA方法用于四川盆地夏季日降水量的可预报性研究

基于BP-CCA方法,首先讨论了多个因子对四川盆地夏季降水降尺度模型的可预报性,然后选取最佳预报因子并进行集合,最终基于T639模式建立最优多因子降尺度预报模型.结果表明,分别以东亚夏季10m纬向风、700hPa纬向风和700hPa相对湿度为预报因子的降尺度模型对四川盆地夏季降水的预报技巧较高,而将三个因子集合的多因子降尺度预报模型具有更好的预报能力.进一步将该方法应用于T639模式预报的预报因子场,发现多因子降尺度模型对降水的预报效果要优于T639模式直接输出的结果.     

实际预报可预报性的时空依赖性分析

本文利用国家气象中心1990年1月1日至1992年2月29日的1～5 d、500 hPa高度场业务预报结果研究了不同球谐函数谱分量和经验正交函数(EOF)谱分量的可预报性。对球谐函数谱分量的研究表明可预报性并不是随着空间尺度的增加呈现单调的递减关系，主要表现为在总波数n等于5附近具有最大可预报性。可预报性主要依赖于总波数n，经卷大圆上的波数和纬向圆周上的波数对可预报性具有完全相同的重要意义。对EOF谱分量的分析表明，随着EOF指数(即序号数)的增大，可预报性依次减小。从EOF和球谐函数的关系发现前几个EOF分量正是对应着最可预报的球谐函数分量。进一步分析表明，最可预报的分量对应大气运动的慢变流型。这些结果对如何使用数值预报产品以及如何进行延伸预报具有重要意义。     

DERF2.0模式11-40天逐日环流预报效果评估

利用1983-2013年DERF2.0模式预报资料和ECMWFERA-Interim逐日再分析资料,评估了DERF2.0模式未来11-40d环流预报效果,结果表明:200hPa高度场预报平均效果最好,预报与实况的距平相关系数(ACC)通过显著性检验达到17d,500hPa高度场为13d,200hPa纬向风场仅11d,200hPa经向风场和850hPa纬向风场预报效果最差,预报与实况的ACC均未通过显著性检验。热带地区200hPa和500hPa高度场预报效果最好,11-40d预报与实况的ACC均通过了显著性检验。     

天气可预报性的时空分布

为了能从非线件误差增长动力学的角度研究大气的可预报性问题,文章引入了可预报性研究的新方法--非线性局部Lyapunov指数.非线性局部Lyapunov指数及其相关统计量能够被用来定量地确定混沌系统可预报性的大小,真正地实现对可预报性的定量化研究.为了把非线性局部Lyapunov指数方法应用到实际的大气可预报性研究中,给出了一种利用大气的实际观测资料估计非线性局部Lyapunov指数的计算方法.存非线性局部Lyapunov指数方法的基础上,文中利用NCEP/NCAR再分析资料,对大气位势高度场、温度场、纬向风场、经向风场等要素场可预报性的时空分布进行了研究,结果表明:(1)在500 hPa高度层上,对于不同的要素场,其可预报期限的大小以及时空分布规律都不一样;全球大部分地区位势高度场可预报期限最大,温度场和纬向风场次之,而经向风场的可预报期限最小.(2)在500 hPa高度层七,位势高度场和温度场的纬向平均可预报期限基本上表现为一定的南北纬向带状分布,热带地区和南极地区的可预报期限最大,北极地区次之,南北半球中高纬度地区可预报期限相对较小.纬向风场可预报期限在热带地区最高,但是南北极地区可预报期限与邻近的中高纬度地区差别不大.经向风场可预报期限在南北两极地区最高,南北半球的中纬度和赤道附近地区可预报期限最小.(3)在垂直方向上,纬向平均高度场、温度场以及纬向风场可预报期限基本上都是随高度升高而增加,高层的可预报期限明显大于低层;经向风场可预报期限随高度的变化比较复杂,不同的纬度有所不同.(4)可预报性有明显的季节变化,不同要素场可预报期限高低值区的位置和强度随季节鄙有明显变化,对于全球大部分地区来说,冬季可预报性都大于夏季的.     

模式大气月尺度可预报性的对比研究

首先采用方差分析方法，研究了实际大气500 hPa高度场的月尺度可预报性，并进一步分析了不同空间尺度大气运动的可预报性及其对大气整体运动可预报性的影响；对ECMWF和国家气候中心T63谱模式分别模拟和预报的500 hPa高度场，也用同样的方法进行了研究。结果表明，欧洲中心和我国T63模式大气的可预报性均比实际大气可预报性小，特别是在对整体运动可预报性影响最大的0～3波部分，差异较大，说明改进模式对0～3波部分的预报能力，必将提高模式性能。     

短期气候可预报期限的时空分布

在非线性误差增长理论的基础上,研究了位势高度场与温度场月和季节时间尺度可预报期限的时空分布特征,结果表明:(1)在500 hPa位势高度场上,年平均月和季节尺度可预报期限的空间分布都存在明显的南北经向性差异,其中在热带地区月和季节尺度可预报期限都为最大,月尺度可预报期限都在6个月以上, 其中最高值超过了9个月,而季节尺度可预报期限基本上都在8个月以上,其中最高值超过了11个月;从热带地区到南北半球中纬度地区,随着纬度的升高,月和季节尺度可预报期限也迅速减少。(2)在500 hPa位势高度场上,月和季节尺度可预报期限的空间分布都有明显的季节变化。冬季月和季节尺度可预报期限除了在热带地区较大外,在北太平洋和邻近的北美西北部地区、北大西洋地区以及南极地区,冬季月和季节尺度可预报期限也相对周围地区较高。夏季除了北非和西亚地区月和季节尺度可预报期明显大于冬季以外,大部分地区月和季节尺度可预报期限比冬季明显减少。(3)500 hPa温度场月和季节尺度可预报期限的空间分布以及随季节的变化特征基本上与高度场相同,只是在热带大部分地区,高度场相对温度场来说月和季节尺度可预报性更高,更适合用来作长期预报。     

与非线性区域预测方法结合的月延伸预报试验Ⅰ:纬向平均环流的预报

为克服数值模式普遍存在的纬向平均环流预报误差,文中在36a NCEP/NCAR再分析高度场资料的基础上,应用非线性时空序列预测理论的局域近似法构建了200,300,500和700hPa4个等压面上的月尺度逐候纬向平均高度距平场非线性动力学区域预报模型.对1996年12个月所做的预报试验表明,无论是南、北半球中高纬度地区还是低纬度地区,非线性模型的候纬向平均高度预报结果均优于持续性预报、气候预报和T42L9模式动力预报.用非线性结果对T42L9模式月平均高度场预报结果进行订正,则使该谱模式系统性预报误差显著减少,也大大减少了其预报高度场的均方根误差,相应地,高度场距平相关评分也有一定程度的提高,表明纬向平均高度的非线性预报比谱模式动力预报包含了更多的有用信息.     

NCC_CGCM产品对长江中下游夏季降水预报的释用

通过对1983-2002年国家气候中心NCC_CGCM季节预报模式的2月初始场的5个预测场(500 hPa高度场,200 hPa经向风、纬向风场,850 hPa经向风、纬向风场)与NCEP实况场的相关检验,指出模式预测与实况有一定差距,但也存在预报效果好的区域,其中预报效果最好的是200 hPa和850 hPa纬向风场,正相关达到95%信度的点数最多;500 hPa高度场正相关达到95%信度的点数最少;利用模式预报效果好的区域的预测值,对2003-2007年长江中下游区域夏季降水指数进行释用,预报准确率达到80%;对比模式在该地区的降水预报以及仅用模式高度场的解释预报发现,用挑选有用信息后的预报效果更好.该方法在全国其他14个区夏季降水的释用中,江南区和内蒙古区预报准确率也可达到80%.     

与非线性区域预测方法结合的月延伸预报试验I:纬向平均环流的预报

为克服数值模式普遍存在的纬向平均环流预报误差 ,文中在 3 6aNCEP/NCAR再分析高度场资料的基础上 ,应用非线性时空序列预测理论的局域近似法构建了 2 0 0 ,3 0 0 ,50 0和 70 0hPa 4个等压面上的月尺度逐候纬向平均高度距平场非线性动力学区域预报模型。对 1996年 12个月所做的预报试验表明 ,无论是南、北半球中高纬度地区还是低纬度地区 ,非线性模型的候纬向平均高度预报结果均优于持续性预报、气候预报和T 42L9模式动力预报。用非线性结果对T42L9模式月平均高度场预报结果进行订正 ,则使该谱模式系统性预报误差显著减少 ,也大大减少了其预报高度场的均方根误差 ,相应地 ,高度场距平相关评分也有一定程度的提高 ,表明纬向平均高度的非线性预报比谱模式动力预报包含了更多的有用信息     

一个改进的T42L10谱模式及其在月预报中的应用

将一个改进的 T42L10月长期数值预报谱模式,与(国家气象中心引进的)原 T42L9谱模式进行了比较.该模式改进和提高了在σ面上模式初值的精度;在辐射计算中,用模式的预报水汽场和模式诊断云代替原模式(T42L9)中的气候纬向平均水汽场和云,并考虑了由于大地形作用对云的影响;采用了七层谱模式中对低纬的改进预报方法(如对水平扩散过程),以改进T42L10在低纬的月预报结果;考虑了海温及下垫面状态在月预报中随预报时效的变化.用改进的 T42L10谱模式对1992年4月、6月、7月、9月作月长期数值预报试验.试验表明,500hPa 高度月预报平均的 R 值(倾向相关系数)在中高纬和低纬地区分别为0.76和0.64;模式预报的均方根误差月平均比对应的持续性误差小.     

基于Lorenz系统提取数值模式可预报分量的初步试验

针对数值预报模式中存在的非线性混沌特性, 从提取可预报分量的思路出发, 阐述了在数值模式中提取可预报分量的方法, 并利用Lorenz系统进行了相关数值试验。研究发现, Lorenz系统初始误差在相空间中的增长速度是不同的, 某些方向的误差增长速度较慢, 即存在对初值扰动不敏感、相对稳定的可预报分量。根据数值模式切线性误差算子的特征值演化规律, 提取出数值模式的可预报分量, 并将模式变量在其基底上进行投影变换, 建立了可预报分量数值模式。在此基础上, 研究了Lorenz系统的混沌状态、模式参数误差及外部随机噪声对提取可预报分量的影响, 发现基于可预报分量的数值模式, 具有更好的预报技巧。     

T63模式月动力延伸预报高度场的改进实验

为克服T63模式月动力延伸预报中纬向平均环流的系统性误差较大的情形,文章利用NCEP/NCAR逐候再分析500 hPa高度场资料和非线性时空序列预测理论的局域近似法进行逐候纬向平均高度距平场预报.近30组个例的预报效果分析表明,就1～3旬总体而言,非线性时空序列预测方法对纬向平均高度距平场的预报优于持续性预报和模式动力延伸预报,体现了改善纬向平均高度场的能力.尤其是第3旬的预报,当持续性预报偏差与实况偏差明显增大、动力预报技巧相对于第1旬和第2旬降低时,相空间重构结果仍然保持一定的优势.     

纬向平均环流预报的系统性误差及其改进

大量的月预报实例分析表明,纬向平均环流(本指高度场纬向平均分量)存在明显的系统性预报误差,且在总误差中占有可观的份额。国内外其它模式也存在类似的现象。为克服这一困难,本尝试了“结合”(hybrid)的途径。应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法,在大量历史资料的基础上,构造了月尺度逐侯纬向平均高度场(零波分量)距平场的非线性预报模型。然后,将非线性预报和谱模式动力预报结合起来,即将非线性预报结果转化为模式需要的颅报量,再在模式积分过程中的每一步取代其相应部分,实施过程订正。初步试验结果表明,这种途样合效地减少了模式纬向环流的预报误差;特别是通过非线性波流相互作用,还改善了部分波动分量的预报。     

Monthly Extended Predicting Experiments with Nonlinear Regional Prediction. Part II: Improvement of Wave Component Prediction

Based on Chen et al. (2006), the scheme of the combination of the pentad-mean zonal height departure nonlinear prediction with the T42L9 model prediction was designed, in which the pentad zonal heights at all the 12-initial-value-input isobar levels from 50 hPa to 1000 hPa except 200, 300, 500, and 700 hPa were derived from nonlinear forecasts of the four levels by means of a good correlation between neighboring levels.Then the above pentad zonal heights at 12 isobar-levels were transformed to the spectrum coefficients of the temperature at each integration step of T42L9 model. At last,the nudging was made. On account of a variety of error accumulation, the pentad zonal components of the monthly height at isobar levels output by T42L9 model were replaced by the corresponding nonlinear results once more when integration was over. Multiple case experiments showed that such combination of two kinds of prediction made an improvement in the wave component as a result of wave-flow nonlinear interaction while reducing the systematical forecast errors. Namely the monthly-mean height anomaly correlation coe cients over the high- and mid-latitudes of the Northern Hemisphere, over the Southern Hemisphere and over the globe increased respectively from 0.249 to 0.347, from 0.286 to 0.387, and from 0.343 to 0.414 (relative changes of 31.5%, 41.0%, and 18.3%).The monthly-mean root-mean-square error (RMSE) of T42L9 model over the three areas was considerably decreased, the relative change over the globe reached 44.2%. The monthly-mean anomaly correlation coefficients of wave 4-9 over the areas were up to 0.392, 0.200, and 0.295, with the relative change of 53.8%, 94.1%,and 61.2%, and correspondingly their RMSEs were decreased respectively with the rate of 8.5%, 6.3%, and 8.1%. At the same time the monthly-mean pattern of parts of cases were presented better.     

与非线性区域预测方法结合的月延伸预报试验II:对波动分量预报的改进

在文献 [1]的基础上 ,设计了将逐候纬向平均高度距平场非线性动力学区域预报和T42L9谱模式动力延伸预报结合的方案 ,即将非线性预报结果转化为模式的静力扣除谱系数 ,然后在模式积分过程中的每一步取代其相应部分 ,实施过程订正。多个例试验结果表明 ,这种途径在减少了模式纬向环流的预报误差的同时 ,还通过非线性波流相互作用 ,改善了部分波动分量的预报。另外部分个例的形势场预报也得到较明显的改善     

Monthly Extended Predicting Experiments with Nonlinear Regional Prediction.PartⅡ:Improvement of Wave Component Prediction

Based on Chen et al. (2006), the scheme of the combination of the pentad-mean zonal height departure nonlinear prediction with the T42L9 model prediction was designed, in which the pentad zonal heights at all the 12-initial-value-input isobar levels from 50 hPa to 1000 hPa except 200, 300, 500, and 700 hPa were derived from nonlinear forecasts of the four levels by means of a good correlation between neighboring levels. Then the above pentad zonal heights at 12 isobar-levels were transformed to the spectrum coefficients of the temperature at each integration step of T42L9 model. At last, the nudging was made. On account of a variety of error accumulation, the pentad zonal components of the monthly height at isobar levels output by T42L9 model were replaced by the corresponding nonlinear results once more when integration was over. Multiple case experiments showed that such combination of two kinds of prediction made an improvement in the wave component as a result of wave-flow nonlinear interaction while reducing the systematical forecast errors. Namely the monthly-mean height anomaly correlation coefficients over the high- and mid-latitudes of the Northern Hemisphere, over the Southern Hemisphere and over the globe increased respectively from 0.249 to 0.347, from 0.286 to 0.387, and from 0.343 to 0.414 (relative changes of 31.5%, 41.0%, and 18.3%). The monthly-mean root-mean-square error (RMSE) of T42L9 model over the three areas was considerably decreased, the relative change over the globe reached 44.2%. The monthly-mean anomaly correlation coefficients of wave 4-9 over the areas were up to 0.392, 0.200, and 0.295, with the relative change of 53.8%, 94.1%, and 61.2%, and correspondingly their RMSEs were decreased respectively with the rate of 8.5%, 6.3%, and 8.1%. At the same time the monthly-mean pattern of parts of cases were presented better.     

Comparative energetics analysis of CCM2 with different horizontal resolutions

 Comprehensive global energetics analysis is carried out for the NCAR CCM2 with different horizontal resolutions of R15, T42, T63, and T106 to assess the effect of various model truncations on the global energetics characteristics in climate models. Both the energy levels and energy transformations are examined over the zonal wave number domain during a northern winter and summer. In addition to the simulated atmosphere, the ECMWF global analysis during 1986 to 1990 is analyzed for comparison using the same diagnostic scheme. Previous studies have revealed that zonal kinetic energy is supplied by synoptic disturbances in terms of the zonal-wave interactions of kinetic energy. According to our result, however, such an energy flow from eddies to zonal motions is valid only for zonal wave numbers up to about 30. We find that the zonal-wave interactions of kinetic energy change sign beyond wave number 30 where the energy is transformed from zonal to eddies for both the ECMWF and CCM2-T106. The large-scale zonal motions are diffusive against the short waves beyond wave number 30, which may well be parameterized by various forms of the diffusion schemes. We suggest from this result that the atmospheric disturbances with wave numbers lower than 30 are necessary to represent accurately the two-way interactions between zonal and eddy motions, because these waves can actively influence the behavior of the zonal motions. Based on this finding, we suggest that the model resolution of R15 is inadequate for climate studies from the energetics point of view, and that resolution of T42 is the minimum requirement to represent the general circulation adequately. Some other discrepancies are discussed in detail for the coarse resolution climate models. Received: 15 July 1996/Accepted: 3 January 1997     

参考大气谱方法在国家气象中心谱模式上的应用

参考大气引入中期谱模式，能有效地减少截谱误差，提高预报精度。文章主要叙述了参考大气在国家气象中心业务预报谱模式上的进一步发展。计算结果表明，引入参考大气后，T63预报质量和降水的TS评分均有一定程度的提高。     

NWP模式中纬向平均环流系统误差的动力诊断

证明了模式在预报时段的纬向平均环流误差，是由于在预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程的不同造成的。又由于原始方程的无加速定理中各强迫因子具有良好的线性迭加性，因此能够清楚地将造成模式系统误差的动力因子分解开来。通过对Ｔ４２Ｌ９模式的分析，说明原始方程的无加速定理可以作为分析模式系统误差的良好手段。动力诊断分析结果表明，模式对纬向平均环流分布具有较好的预报能力，但在各缔带也存在明显的误差。通过无加速定理的分解分析，本文研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径。