在动力相似预报中引入多个参考态的更新

针对如何更有效地利用历史资料中的相似信息提高预报水平的问题,在已有相似-动力模式研究基础上,进一步探讨了相似误差订正方法(ACE)的若干理论和技术问题,分析表明,ACE是对以相似离差方程和相似误差订正方程为理论依据的方法的再发展。在此基础上,提出了相似的更新问题和多个参考态的引入,并进而发展出一种考虑多参考态更新的动力相似预报新方法(MRSU)。这一方法通过引入相似更新周期的新概念,在预报进行到相似更新周期时重新选取多个参考态,并采用超平面近似法将相似-动力模式产生的多个预报估计成最佳预报向量,这样的“选取-估计”过程循环往复,从而完成整个时段的预报。Lorenz模式试验显示,相比于以往的相似-动力模式预报,MRSU能更有效减小预报误差,提高预报技巧,并且,ACE的理论优势应用前景也被初步证实。综合诸多研究结果,给出了MRSU的概念流程,这里针对复杂数值模式采用了ACE,能够等价实现相似-动力模式预报过程,无需重建模式,更易于推广。     

数值预报中自由度的压缩及误差相似性规律

利用历史资料的有用信息提高数值模式预报水平是长期以来人们努力的目标。该文提出了一种在气候吸引子上缩小初始场自由度的相似选取方法,有效滤除了小尺度分量,避开了原有相似选取中自由度太大,相似选取困难的问题。分析表明:相似初值间的模式预报误差存在相似性,依此估计的预报误差与实际预报误差很接近。在空间分布特征上,相似初值间的模式预报误差也有很好的一致性。这为发展相似-动力方法,利用历史资料改进数值模式提供了支持。     

最优多因子动态配置的东北汛期降水相似动力预报试验

基于中国气象局国家气候中心季节预报业务模式27a(1983—2009年)预报结果和同期美国气候预报中心组合降水分析(CMAP)资料及国家气候中心气候系统诊断预报室74项环流指数和NOAA40个气候指数(1951—2009年),提出了客观定量化的最优多因子动态配置汛期降水相似-动力预测新技术,并对中国东北地区汛期降水进行了预报试验。利用历史资料有用信息估算模式预报误差原理,选取4个历史相似年对应模式误差来估算当前模式预报误差。通过单因子交叉检验距平相关系数确定主导因子及演化相似因子,结合当前及前期优化多因子组合配置确定预报因子集,最后利用历史相似年对应模式误差来估算当前模式预报误差并订正国家气候中心季节预报业务模式的预报结果,得到预报的汛期降水。对2005—2009年进行独立样本检验的结果表明,此技术对中国东北地区汛期降水有一定预报技巧。证实了利用历史资料估计业务模式预报误差的另类途径是可行的,显示了在业务预报应用中的潜在能力。     

一个ENSO动力-相似误差订正模式及其后报初检验

为有效利用历史资料中的相似信息,减小模式误差对ENSO这类跨季节-年际尺度预测问题的影响提高动力模式的预测水平.作者利用一种基于统计相似的模式误差订正方法,以国家气候中心简化海气耦合模式为平台建立了相应的动力-相似误差订正(DAEC)模式,并着重探讨了系统相似程度(全相似或部分相似)、误差重估周期以及相似样本个数等因素对预报效果的影响.结果表明,利用该方法可以有效地改善原有模式的预报性能,其中 "全相似" 比 "部分相似" 更能反映海气耦合系统的相似程度,从而对模式误差做出更为准确的估计,使预报误差明显减小.海洋和大气的误差重估周期对结果也有较大影响,在不同相似程度下分别存在着某种最优配置使得预报效果达到最佳.另外,在对相似样本存在状况及影响的研究中则发现在当前资料长度内整体上只存在着有限个相似样本,在此范围内随着样本取样数目的增加DAEC模式的预报性能逐渐提高.     

提高月预报业务水平的动力相似集合方法

针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。将这一集合新方法应用到中国国家气候中心业务大气环流模式(BCC AGCM1.0),一组10 a准业务环境下回报试验结果显示,相比于业务集合预报,动力相似集合预报方法能有效改进模式对于大气环流的纬向平均、超长波和长波预报,从而有效提高了月平均环流预报技巧(几乎达到业务可用标准)和逐日环流预报技巧,并显著降低了预报误差,合理增加集合离散度,使二者配置关系得以改善,有望在业务预报中应用。     

天气预报的相似-动力方法

本文将预报对象分解为参考态和扰动态两部分,参考态根据与预报对象初始场相似的原则从历史观测资料中选定,其演变过程是已知的;扰动态的演变则用动力方法预报。用准地转正压模式作了若干模拟实验,结果表明,该方法能利用历史资料提供的信息部分弥补预报模式的缺陷,不要求参考态与预报对象有很高的相似性,其预报结果就明显优于现行的数值预报方法。     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。     

数值天气预报的创新之路--从初值问题到反问题

基于大气并非是一个确定论的系统,从信息论的视角考察了数值天气预报问题。认为表征初值和边值的数据可以视为输入信息(信息源),而数值模式则不过是一个信息变换机构,它把输入信息变换成预报结论而输出来,输出的预报结论则是未来天气状况的信息。于是预报的准确性受制于:一是输入信息所包含的输出信息的信息量,另一是信息在变换过程中丢失的信息量。从初值的形成过程揭示出了当前观测系统在一个时刻提供的数据没有包含初值所要求的全部信息,而缺失的部分或多或少的隐藏在过去的观测数据中。提为初值问题意味着只依据一个时刻的状态导致输入的信息量缺失,应考虑过去的历史数据以增加输入数据中所包含的预报量的信息。文中指出由于输出信息比输入还多的数值模式是不存在的,这样的改进带有根本性。进一步论证了数值模式的误差信息,也或多或少的隐藏在过去的历史数据中,为了充分使用过去的观测数据,本文建议改变问题的提法,不提成初值问题,提成反问题。资料同化本质上是反问题,其欠定性不应人为夸大。提成反问题的数值天气预报能充分应用过去的历史资料,将天气方法、统计方法、动力方法有机地结合在一起。对于这个反问题如何具体求解方面,在分析了业务和研究的区别,模式的普适性和针对性的统一的基础上,给出了反问题的具体解决途径。强调无需构建新模式(这是非常困难的工作),只需运行现成的模式,借助所关心的预报对象的历史数据来改造现成模式,因而是完全可行的。     

长江中下游汛期降水优化多因子组合客观定量化预测研究

针对长江中下游区域汛期降水模式预报误差,利用历史资料的有用信息订正模式预报误差.根据国家气候中心预测室提供的74项环流特征量和美国国家海洋和大气管理局发布的40项气候指数,确定降水预报误差场的相似年份,利用相似年的降水误差场对模式结果进行相似误差订正,有别于传统的模式系统误差订正.研究发现,相似误差订正效果明显优于系统...     

基于GFS预报资料的强对流相似预报研究

本文基于数值模式预报发展了强对流相似预报方法。该方法采用对流参数作为相似预报量,对比当前预报与历史预报的相似物理量场挑选与当前预报最相似的时刻,并利用这些时刻对应的强对流观测权重叠加作为当前预报时刻的强对流预报。以NCEP/GFS预报场资料,对该方法的有效性进行了检验。检验结果表明,该方法对中国地区的强对流有良好预报效果。作为数值预报的有效补充,该方法具有以下几点优势:简便易实现,具有很高的可移植性:以对流参数作为相似预报量,充分利用了模式对温,压,湿,风等基本气象要素预报比较准确的优势;有效避免了对流参数进行强对流预报时的临界值选取问题,考虑了强对流发生的地域性,气候性特点。     

Analogue Correction Method of Errors by Combining Statistical and Dynamical Methods

Based on the atmospheric analogy principle, the inverse problem that the information of historical analogue data is utilized to estimate model errors is put forward and a method of analogue correction of errors (ACE) of model is developed in this paper. The ACE can combine effectively statistical and dynamical methods, and need not change the current numerical prediction models. The new method not only adequately utilizes dynamical achievements but also can reasonably absorb the information of a great many analogues in historical data in order to reduce model errors and improve forecast skill. Furthermore, the ACE may identify specific historical data for the solution of the inverse problem in terms of the particularity of current forecast. The qualitative analyses show that the ACE is theoretically equivalent to the principle of the previous analogue-dynamical model, but need not rebuild the complicated analogue-deviation model, so has better feasibility and operational foreground. Moreover, under the ideal situations, when numerical models or historical analogues are perfect, the forecast of the ACE would transform into the forecast of dynamical or statistical method, respectively.     

数值天气预报———另类途径的必要性和可行性

通过讨论省 (甚至地、市) 气象部门要不要开展数值天气预报工作的问题, 认为不是所有的地方都要开展, 只是那些希望搞科研型业务、迫切要求提高当地高影响天气的预报准确率的地方要开展。对于如何开展的问题, 提出不是去重复类似于主流途径的做法, 而是开辟另类途径, 并阐述了另类途径的内容、方法和意义。强调开展另类途径无需构建模式 (这是非常困难的工作), 只需运转现成的模式, 借助所关心的现象的历史数据来改造现成模式, 使之本地化, 是完全可行的。     

数值预报误差订正技术中相似-动力方法的发展

Due to the increasing requirement for high-level weather and climate forecasting accuracy, it is necessary to exploit a strategy for model error correction while developing numerical modeling and data assimilation techniques. This study classifies the correction strategies according to the types of forecast errors, and reviews recent studies on these correction strategies. Among others, the analogue-dynamical method has been developed in China, which combines statistical methods with the dynamical model, corrects model errors based on analogue information, and effectively utilizes historical data in dynamical forecasts. In this study, the fundamental principles and technical solutions of the analogue-dynamical method and associated development history for forecasts on different timescales are introduced. It is shown that this method can effectively improve medium- and extended-range forecasts, monthly-average circulation forecast, and short-term climate prediction. As an innovative technique independently developed in China, the analogue- dynamical method plays an important role in both weather forecast and climate prediction, and has potential applications in wider fields.     

论过去资料在数值天气预报中使用的理论和方法

对中国气象学家在数值天气预报中使用过去实况演变资料的理论和方法作卫概要性总结,其中不仅讨论了近期实况演变资料的应用,还了积累数十年的历史资料的应用问题。文中强调要改变对数值预报问题的提法,回顾了由初值问题改为演变问题,再改为反问题的历史。     

Application of the Analogue-Based Correction of Errors Method in ENSO Prediction

In this study, a method of analogue-based correction of errors（ACE） was introduced to improve El Ni？o-Southern Oscillation（ENSO） prediction produced by climate models. The ACE method is based on the hypothesis that the flow-dependent model prediction errors are to some degree similar under analogous historical climate states, and so the historical errors can be used to effectively reduce such flow-dependent errors. With this method, the unknown errors in current ENSO predictions can be empirically estimated by using the known prediction errors which are diagnosed by the same model based on historical analogue states. The authors first propose the basic idea for applying the ACE method to ENSO prediction and then establish an analogue-dynamical ENSO prediction system based on an operational climate prediction model. The authors present some experimental results which clearly show the possibility of correcting the flow-dependent errors in ENSO prediction, and thus the potential of applying the ACE method to operational ENSO prediction based on climate models.