基于Ward聚类法的中国业务集合预报系统的产品开发

为开发中国新一代业务集合预报系统的聚类产品,系统地介绍了集合预报技术先进国家的集合预报聚类分析方法,并采用Ward聚类法开发了中国集合预报系统的聚类产品。针对重大天气过程初步分析了中国集合预报系统的聚类产品的业务预报能力。结果表明,Ward聚类法以凝练预报信息和给出发生概率的形式,有效地划分出最有可能出现的环流形势类型,为预报员提供了有价值的预报参考信息,也为科学合理地使用集合预报产品提供方便。     

GRAPES-GEPS K-均值集合预报产品开发及应用

基于GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)及2020年2月13—16日的全国寒潮天气过程,开发出一类新的集合预报产品—K-均值聚类产品。采用爬山法确定最佳聚类数量,并采用K-均值聚类算法对集合样本进行分类。结果表明,该方法的500hPa位势高度场所有类别的聚类产品均呈现出中高纬Ω形的环流形势及低压系统后部冷平流的走向,发生概率最高的聚类产品最能反映实况中环流形势的分布。对于850hPa温度场,其聚类产品均呈现出全国温度从北到南呈带状逐渐增加的空间分布特征,发生概率最高的第一类聚类产品与实况最为接近。对于10m风速聚类产品,在较大风速处,集合样本离散度较大,不同类别的风速大小差异显著;发生概率较高的第一类聚类产品,其对天津及周边地区10m风速的分布及强度描述均较准确,并能提供有价值的预报信息。K-均值聚类能有效地实现集合预报样本信息的浓缩,该产品可为预报员判断某一时次的天气预报提供直观指导。     

基于分段层次聚类的中国强降水集合平均预报逐步订正方法研究

集合预报在数值天气预报中占有重要地位,如何有效地从集合成员中提取信息以提高降水的集合平均预报技巧是重要科学问题。采用2019—2022年夏季中国气象局全球集合预报业务模式（China Meteorological Administration Global Ensemble Prediction System,CMA-GEPS）的逐日累计降水量集合预报数据,发展了基于分段层次聚类的逐步订正方法（Stepwise correction method based on segmented Hierarchical Clustering, SHC）以改进该模式的强降水集合平均预报结果,并定量评估了SHC方法的性能,比较了其与集合平均（EM）和直接聚类法（HC）的订正效果差异。结果表明：SHC方法由于采取了分段聚类订正来有效引入更有价值的集合成员预报信息,进而修正集合平均预报结果,提升目前在短、中期天气集合预报中的强降水预报能力;该方法的逐日连续预报检验评分总体在降水预报订正方面有优势,相对于EM和HC方法预报技巧均有明显提升,证明其具有良好的适用性;对于2021年郑州7·20暴雨个例的应用显...     

集合预报产品在江苏省暴雨预报中的应用评估

利用2011—2015年6—8月TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)数据集中欧洲中期天气预报中心(ECMWF,以下简称EC)的集合降水预报数据和江苏省70个基本站逐日24 h(20时至次日20时)降水数据,通过大量暴雨样本系统检验和评估了EC集合预报及多种后处理释用产品对江苏暴雨的预报能力。结果表明:作为集合预报的初级产品,集合平均对暴雨的预报存在明显的漏报率,TS预报评分尚不及EC确定性预报;集合预报不同成员间对暴雨的预报技巧差异大,其最优成员组合的预报能力显著优于EC确定性预报,表明集合预报具有较大的应用潜力;在多种集合预报后处理释用技术中,最大值、最优百分位、降水偏差订正频率匹配法、概率预报、集合异常预报法和杜-周排序法(最大值法)的平均TS评分均较高,超过10%,其次90%分位数、融合、融合-概率匹配和杜-周排序法(集合平均或中位值法)的预报效果也均优于EC确定性预报。集合中位值、概率匹配方法对江苏暴雨的预报评分低于集合平均预报,在暴雨预报上的参考价值相对较低。该评估结果进一步加深了对各集合预报产品区域暴雨预报能力的认识,为预报员更直接快速地选取有效的集合预报产品提供参考。     

2008年1月欧亚阻塞形势的ECMWF集合预报效果评估检验

基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)集合预报系统资料,评估和讨论了2008年1月我国南方发生严重冰冻雨雪灾害期间欧亚中高纬阻塞形势的预报效果。结果表明,2008年1月阻塞形势发生频率极端偏高,ECMWF集合预报的阻塞发生频率随着预报时效的延长逐渐降低。环流预报效果检验表明,预报时效大于6 d时,集合平均的预报效果好于确定性预报,因此集合预报的优势主要体现在中期预报时段。对阻塞形势的可预报性的分析表明,阻塞崩溃期间的可预报性低于阻塞建立期间。另外,通过集合预报可以获得阻塞发生的概率,从而提前为预报员提供可能发生阻塞的信号。     

常州雷灾分布特征及风险区划

基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）集合预报系统资料,评估和讨论了2008年1月我国南方发生严重冰冻雨雪灾害期间欧亚中高纬阻塞形势的预报效果.结果表明,2008年1月阻塞形势发生频率极端偏高,ECMWF集合预报的阻塞发生频率随着预报时效的延长逐渐降低.环流预报效果检验表明,预报时效大于6d时,集合平均的预报效果好于确定性预报,因此集合预报的优势主要体现在中期预报时段.对阻塞形势的可预报性的分析表明,阻塞崩溃期间的可预报性低于阻塞建立期间.另外,通过集合预报可以获得阻塞发生的概率,从而提前为预报员提供可能发生阻塞的信号.     

基于TIGGE数据的我国寒潮自动识别预报方法

利用1951—2006年中央气象台寒潮天气过程数据以及NCEP/NCAR 500 hPa高度场等逐日再分析资料,通过客观聚类方法与主观对比分析确定寒潮爆发的典型形势场,结合寒潮过程特征量阈值,建立了基于TIGGE集合预报产品的寒潮自动识别客观预报方法,并利用TIGGE集合预报数据对2008年1月和2009年1月两次寒潮天气过程进行预报试验。结果表明:利用500 hPa高度距平场进行聚类分析,一方面可以消除环流季节特征对划分结果的影响,另一方面也突出了寒潮这种强天气的异常扰动表现;基于集合预报产品的寒潮自动识别预报方法浓缩了集合预报产品信息,可直接为预报员提供寒潮发生的概率预报,从而在集合预报产品与我国实际灾害性天气之间建立了直接联系。     

基于BGM的对流尺度集合预报试验及其检验北大核心CSCD

基于增长模繁殖法,考虑对流尺度高度非线性特征和精细化预报要求,对一次强飑线天气过程进行了集合预报试验,引入概率匹配平均法对集合预报结果进行对比分析,并通过偏差和公平技巧评分对降水进行了预报效果检验。试验结果表明,BGM法应用到对流尺度集合预报中能够生成代表大气不确定性的快速增长扰动。集合预报结果相比控制预报更加准确,传统集合平均对较小降水强度的预报更加准确,概率匹配平均法对大量级降水的预报能力明显占优。降水评分检验表明,集合平均对小量级降水的预报技巧最高,概率匹配平均法对极端降水事件的预报技巧有明显优势。对流尺度集合预报能够提高降水预报技巧,并对高影响对流天气事件的预报有指导意义。     

基于集合预报的中国极端强降水预报方法研究

极端强降水天气属于小概率事件,其发生具有很多不确定的因素,预报难度很大。根据Anderson-Darling检验原理研究基于集合预报资料的极端强降水天气预报方法,利用2007—2010年中国T213集合预报资料和2001—2010年6—8月中国降水观测资料,分析观测与集合预报累积概率密度分布函数的特征,建立基于集合预报与模式历史预报累积概率密度分布函数连续差异的数学模型——极端降水天气预报指数(EPFI),并对2011年7月中国极端强降水天气进行预报试验。结果表明,极端降水天气预报指数可以充分利用集合降水累积概率密度分布的尾端信息,为极端强降水提供科学合理的预报,基于中国气象局(CMA) T213集合预报的极端降水天气预报指数可提前3—7 d发出极端强降水预警信号,随着预报时效的延长,预报技巧逐渐降低。研究还表明,模式气候累积概率分布的合理性将直接影响极端强降水天气识别能力。     

基于BGM的对流尺度集合预报试验及其检验

基于增长模繁殖法,考虑对流尺度高度非线性特征和精细化预报要求,对一次强飑线天气过程进行了集合预报试验,引入概率匹配平均法对集合预报结果进行对比分析,并通过偏差和公平技巧评分对降水进行了预报效果检验。试验结果表明,BGM法应用到对流尺度集合预报中能够生成代表大气不确定性的快速增长扰动。集合预报结果相比控制预报更加准确,传统集合平均对较小降水强度的预报更加准确,概率匹配平均法对大量级降水的预报能力明显占优。降水评分检验表明,集合平均对小量级降水的预报技巧最高,概率匹配平均法对极端降水事件的预报技巧有明显优势。对流尺度集合预报能够提高降水预报技巧,并对高影响对流天气事件的预报有指导意义。     

基于神威中期集合数值预报系统的产品开发

利用我国神威中期集合数值预报系统 32 个成员的输出资料, 根据预报业务的需要, 开发出新的集合预报产品。 其产品有 500 hPa 高度场分簇和特征等高线面条图、关键点 850 hPa 温度的概率烟羽图和温度变化趋势图、全国省会城市的要素预报分布图。     

地面气象要素多模式集成预报研究进展

目前,集合预报已成为天气预报业务的主要支撑。然而,由于数值模式本身的限制与不完善以及集合系统存在初值扰动、集合大小等方面的局限,常存在预报偏差。不同预报模式通常具有不同的物理过程参数化方案、初始条件等,导致其预报能力各有不同。为此,如何纠正预报偏差以及如何充分有效地利用不同模式的预报信息以获得更加准确的天气预报广受关注。近年来,利用统计理论与预报诊断,基于多个集合预报系统的多模式集成预报技术得到快速发展,已成为有效消除预报偏差从而提高天气预报技巧的一种统计后处理方法。针对气温、降水和风3个最基本的地面气象要素,首先依据预报形式将应用范围较广的简单集合平均、消除偏差集合平均、超级集合、贝叶斯模式平均、集合模式输出统计等加权或等权平均多模式集成技术,分成确定性预报和概率预报两大类,并做系统介绍。最后,讨论使用和发展多模式集成技术需要关注的问题,包括考虑参与集成的模式个数、发展降水及风速分级预报模型和发展基于机器学习的多模式集成新技术。     

集合数值预报在洪水预报中的应用进展

水文集合预报是近几年正在形成和发展的水文预报分支,其发展大致可分为两个阶段:第1阶段是1970年至20世纪末进行的长期径流预报,第2阶段从21世纪开始,主要学习气象数值预报中集合预报的概念在短期水文集合预报中的应用。目前,除了单一预报中心的集合预报系统在水文集合预报中应用外,多个预报中心的集合预报大集合也逐渐被应用于流域水文预报,甚至一些小流域的洪水预报。如利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)集合预报驱动形成的大气-水文-水力的串联系统进行早期的洪水预警研究,将全球集合预报作为洪水模型输入的有限区域模式的初始条件和侧边界条件的研究。这些均表明,基于水文集合预报的洪水预报增加了预报附加值,并能够延长预警提前时间。以欧洲中期天气预报中心的欧洲洪水预警系统(EFAS)和美国NOAA的先进水文预报系统(AHPS)为代表,实现了集合预报在洪水中的实时业务预报,但仍存在数据处理和计算量大,以及如何基于集合水文预报做决策等问题。对于水文集合预报的前处理和后处理的各种技术已处于探索和验证阶段,如何更好地理解基于概率预报的洪水预警决策仍存在许多困难和挑战。     

月动力延伸预报产品的评估和解释应用

该文用3种客观评分方法对国家气候中心的月动力延伸预报结果（500 hPa位势高度场）进行了全面评估。结果表明,延伸预报环流的旬和月平均场预报准确率明显高于持续性预报,有一定的预报技巧和业务参考价值,但仍未达到可用于实际业务预报的技巧。对形势预报进一步分析发现,500 hPa的部分环流特征量模拟效果好,其预报技巧高于整个形势场的预报。根据已有的经验和研究成果,这些环流特征量和要素预报有较好的相关,可以直接在业务中应用。该方法为动力产品的解释应用提供了又一条途径。     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

应用国家气象中心模式检验方法,对华中区域中尺度业务数值预报模式WRF和中国气象局下发的GRAPES模式2013年1-12月的预报产品（包括降水、2 m温度场、850 hPa温度场、850 hPa风场和500 hPa位势高度场预报）进行统计检验。检验结果表明：所有要素24 h预报均优于48 h;对于晴雨预报,GRAPES模式TS评分高于WRF,但随着降水量级增大,WRF的TS评分基本都高于GRAPES,同时WRF降水预报范围明显偏大;分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现,WRF的2 m温度场预报优于GRAPES,且暖季预报优于冷季;形势场要素分析表明,WRF对850 hPa温度场和风场预报具有相当大的优势,全年误差变化较稳定,而对500 hPa位势高度场的预报误差存在一定的季节性特征,即夏半年WRF高度场预报优于冬半年,GRAPES模式则相反。总体上,华中区域中尺度业务数值模式产品对天气预报具有一定的参考价值。     

NCEP集合预报系统在亚欧和北美区域的预报效果对比

使用NCEP集合预报系统（EPS）输出的500hPa位势高度场预报资料和相应的NCEP／NCAR再分析资料,针对集合平均预报和概率预报,采用多种预报效果检验评价方法,对该系统在亚欧和北美区域的预报效果进行全面的分析比较。总体而言,NCEP—EPS对亚欧区域的环流集合预报效果不亚于其对北关区域的预报效果。1）ACC检验表明,亚欧区域的集合平均预报效果在除冬季外的三个季节都明显优于北美区域,可用预报的时效相差达0．6～1d,且夏季的差别最大。RMSE检验表明,亚欧区域的预报效果在四个季节里均优于北美区域。2）集合概率预报可靠性的季节差别不明显,均为预报时效较短（长）时,北关（亚欧）区域的可靠性更好。系统对亚欧区域的事件识别范围相对较小,但其预报可靠性较高,北美区域则正好相反。3）夏季亚欧区域的集合概率预报效果明显优于北美区域,秋季和冬季北关区域的预报效果较好,春季在预报时效小于5d时北美区域占优,而其后则是亚欧区域的预报分辨能力更好。     

GRAPES全球集合预报初始条件及模式物理过程不确定性方法研究

为描述GRAPES全球模式初始条件的不确定性,基于适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术,依据大气初始误差符合正态分布的特征,采用高斯取样奇异向量来构造全球集合预报初始扰动,在此基础上建立了GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)。利用GRAPES全球同化分析场,对采用初始扰动的GRAPES-GEPS连续试验预报结果进行检验和分析。结果表明:GRAPES-GEPS中高度场、风场及温度场预报的集合离散度能有效快速增加,集合平均均方根误差与集合离散度的关系合理;相对控制预报的均方根误差,集合平均的预报优势在预报中期非常显著。为进一步体现GRAPES-GEPS中模式物理过程的不确定性,发展了模式物理过程倾向随机扰动技术(SPPT)。试验结果表明:SPPT方案的应用有效提高了GRAPES-GEPS在南、北半球和热带地区等压面要素预报的集合离散度,同时一定程度减小了集合平均误差,进而改进了集合平均误差与集合离散度的关系,其中SPPT方案在热带地区的改进最为显著。本文发展的基于奇异向量的初始扰动方法和模式扰动SPPT方案在中国气象局2018年12月业务化运行的GRAPES-GEPS中得到了应用。     

一种新的集合预报权重平均方法

提出了一种新的考虑权重的集合预报成员平均方法。使用气候等概率区间来对集合成员进行分组, 并根据气候等概率区间的大小及其中的成员数, 对集合成员的权重进行调整, 得到了一种改进的集合平均预报结果。检验表明, 它可以进一步提高集合平均预报的效果。相对于提高模式分辨率或发展庞大的集合预报系统, 这种方法的效果是显著的。     

台风集合预报研究进展

台风数值预报是防台减灾的关键,而集合预报是体现和减少数值预报不确定性的常用方法。本文对近年来台风集合预报方法的研究进展进行了梳理和总结,涉及初值集合扰动、模式扰动技术以及基于统计的台风集合预报后处理技术。对全球几个主要集合预报系统的发展及我国的区域台风集合预报系统做了回顾。最后,在回顾的基础上,讨论和提出了关于台风集合预报仍存在的问题及未来可能的研究方向。