欧洲业务集合预报系统进展

由于大气初值与数值模式中物理过程存在不确定性等客观事实,集合预报无疑代表着数值天气预报未来前进与发展的方向,它标志着天气预报的预报范式转变,即用户不仅可以得到未来大气状态的单一现实,还可得到未来大气可能出现的一系列场景。文中扼要地梳理了欧洲全球业务集合预报与有限区域模式高分辨业务集合预报的研究动态与技术发展、基本问题及其未来最新发展方向,包括:1)欧洲中期天气预报中心的业务集合预报系统发展沿革及概况;2)欧洲国家主要业务高分辨率集合预报系统概况;3)当前业务集合预报存在的问题、挑战及未来前进的方向。文中除了关注欧洲中期天气预报中心的集合预报应用,还梳理了目前欧洲高分辨业务集合预报取得的成就,以引起有关研究人员的注意。总之,借鉴欧洲业务集合预报的发展思路,不仅有助于集合预报理论创新,还对发展集合预报业务有重要指导意义。     

集合预报研究及应用进展

从初值扰动的生成方法、数值预报模式的建立、输出产品的提炼应用等方面简要概括了集合预报的最新进展。指出，运用BGM法生成初值扰动效果较好，多模式集合预报正成为天气预报的发展趋势；集合概率预报是集合预报的最佳结果，但发布还需要做大量的普及推广和培训工作；集合预报正在被越来越多的国家投入准业务运行和业务运行．有可能成为新的主流预报方式。     

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。     

集合预报及其在中期天气预报中的应用

作者概述了集合预报的基本概念，集合预报中期天气预报中的意义与作用，现有的主要集合预报产品以及集合预报在美国美国国家气象中心和欧洲中期天气预报的业务运行。简要介绍了我国国家气象中心在动力延伸预报和集合预报方面的试验研究情况。     

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。      

多模式集合预报技术及其分析与检验

基于国家气象中心天气预报业务平台,对德国、日本、欧洲中心数值预报模式和我国T213模式的夏季预报产品进行检验,在此基础上,通过不同模式对目标区域预报能力的分析,分别应用神经元网络预报技术和基于Ts评分的客观多模式权重系数法(ME),建立了4个模式的集合预报方法,并应用于2005年汛期业务运行。结果表明:ME对短期降水预报技巧高于简单集合平均,因此具有一定的业务应用前景。     

集合预报业务使用现状和趋势

依据 1999年 11月 14～ 19日在欧洲中期天气预报中心举行的第 7届天气预报业务系统研讨会的情况 ,对集合预报的业务使用现状、集合预报产品以及未来趋势进行了介绍     

天气预报的业务技术进展

该文总结回顾了中央气象台近年来的天气预报业务技术进展。天气预报质量的历史演变显示了预报业务水平的提高, 这种业务能力的提高既反映了预报技术的发展, 也带来了天气预报业务的变化。对业务天气预报中各种预报技术应用进展的分析表明:数值预报在天气预报业务能力提高中发挥着重要的基础性作用; 同时, 基于对不同尺度天气影响系统发展演变过程深入认识的基础上, 天气学的预报方法依然是预报业务中的重要技术方法; 动力诊断预报已成为灾害性天气预报中的重要手段之一, 数值预报产品的解释应用是实现气象要素精细定量预报的技术途径。     

基于T213集合预报的极端天气预报指数及温度预报应用试验

本文基于中国T213集合预报系统资料,借鉴欧洲中期天气预报中心极端天气预报指数的数学处理方案,在分析T213模式数据特征的基础上,研究了T213集合预报系统极端天气预报指数的数学处理方法,建立了适合T213集合预报模式的极端天气预报指数,并利用该指数对2008年1月极端低温天气进行了预报试验和评估检验,分析模式气候累积概率分布生成方法对极端天气预报指数的影响,得到以下结论：（1）确定了利用T213集合预报系统所有预报成员生成的模式气候累积概率分布计算极端天气预报指数;（2）利用TS评分确定极端天气预报指数发布极端低温预警信号的阈值为-0．3并进行预报试验。试验结果表明,极端天气预报指数对极端低温天气具有较好的识别能力,可提前3-5天发出极端低温预警信号。利用相对作用特征曲线对极端天气预报指数识别极端天气的技巧进行评估检验,检验结果显示,基于T213集合预报生成的极端天气预报指数对极端低温的预报存在正的识别技巧,随着预报时效的延长,识别技巧逐渐降低。（3）评估不同模式气候累积概率分布对极端天气预报指数识别极端低温天气技巧的影响,结果表明：产生模式气候累积概率分布的模式数据误差一致性是关键因素。     

对流尺度集合预报与模式不确定性研究进展

本文回顾了国内外近10年来对流尺度集合预报系统以及有关模式不确定性研究的成果。对流尺度集合预报在提高局地强天气预报预警能力方面,因其可以提供丰富的概率预报信息而具有显著优势,相关研究和应用受到国内外学者和数值预报业务机构的重视。相对于全球集合预报,对流尺度集合预报中有关模式不确定性的研究缺乏系统性和理论基础,成为目前研究的热点和难点。目前常用的模式扰动方法有多模式、多物理过程、多物理参数、随机物理等。这些方法在强对流事件、热带气旋强度路径等预报中得到了广泛应用,但在提高对流尺度集合离散度方面作用仍有限,主要原因在于其并没有针对性描述影响对流系统发生发展的关键物理过程的不确定性,仍然属于全球集合预报中天气尺度范畴。在回顾相关研究的同时,也提出了值得探索和研究的方向。     

预报员在未来天气预报中的作用探讨

在没有数值天气预报的年代 ,天气预报是由预报员作出的 ,随着数值天气预报业务水平的不断提高 ,它首先取代了预报员的天气形势预报 ,目前正进入取代部分天气要素预报的时代。未来 1 0～ 2 0年中尺度数值天气预报和集合预报以及后处理技术将获得重大进展 ,客观预报有可能取代目前预报员的一些预报项目 ,但是预报员的作用仍然是不可缺少的 ,但需要按与时俱进的观点 ,认真分析客观预报与主观预报的最佳结合点 ,以不断提高天气预报水平     

国家级强对流天气综合业务支撑体系建设

国家级强对流天气预报业务正在从以短期预报为主调整到短期和短时预报并重的业务格局。文章从强对流天气预报技术发展与服务需求的角度,重点介绍了国家级强对流天气综合业务支撑平台及其核心技术。该平台以气象数据组织和图形化表达两个核心要求为牵引,发展了数据分析处理系统、自动气象绘图系统和WEB检索与显示系统。数据分析处理系统基于多源观测资料、中尺度数值预报和全球数值预报,发展了集约、高效的强对流天气监测和临近预报、短时预报和短期预报等数据分析处理技术,是整个平台的核心;主要核心技术包括:从不稳定与能量、水汽、抬升与垂直风切变等条件出发,以归纳总结的分类强对流天气概念模型为基础的分类强对流短期预报分析技术;应用"配料法"发展的分类分等级的强对流天气客观概率预报技术;强对流短时预报技术包括高分辨率数值预报释用、多模式预报集成、对流尺度分析、实况和模式探空分析等多项技术,重点实现了从过去3 h实况到未来12 h预报的无缝隙衔接;强对流的监测和临近预报技术在基于多源资料的强对流天气实况与强对流系统监测技术基础上,发展了基于雷达特征量、强对流实况、各类强对流指数和预警信号等多源信息的报警技术。自动气象绘图系统实现了高效、便捷地接入多种数据、自动进行数据分析和制图等多项功能。在预报服务方面,基于WebGIS发展了县级分类强对流预警信号和国家级分类强对流预警预报产品共享技术,实现强对流短时预报业务的高交互性与上下互通的功能。     

集合预报产品综合分析显示平台关键技术与实现

针对集合预报方法在天气预报业务中的应用,开发了具有自主知识产权的集合预报产品综合分析显示平台。以集合预报模式输出数据量大、气象图表显示效率和质量要求高两个主要需求为出发点,采用客户端服务器架构设计。服务器端将原始数据转换为产品数据以提高客户端执行效率。该文详细分析了平台关键技术,针对数据延时问题,轮询式数据处理技术实时检查原始数据变化状态并更新产品,采用生产者消费者互斥方法解决多线程锁死问题。为提高图表美观程度,动态页面布局显示技术对所有图形要素进行分类, 并给出显示属性的抽象描述,结合图形渲染技术,实现了看图模式和出图模式的动态切换。该平台为预报员和服务决策者提供了宝贵的不确定性信息,在中小尺度极端天气预报、台风路径预报中发挥了重要作用。     

基于GRAPES_Meso的集合预报扰动方案设计与比较

基于GRAPES_Meso区域集合预报系统,设计了三种集合预报扰动方案,即多初值、多初值多物理、多初值多物理多边值,并针对三种方案进行了连续一个月的批量试验,重点分析了2008年7月23日江淮暴雨过程.结果表明,对于降水预报,三种集合扰动方案均相对于控制预报均有所改善,多初值多物理与多初值多物理多边值方案对小雨、中雨预报改进效果显著,对暴雨预报略有改进;多初值方案仅能产生有限的集合离散度且难以增长,引入物理参数方案扰动及边界条件扰动能显著提高集合离散度,改善各物理量场的预报效果;通过比较,多初值多物理多边值为最优方案.该批量试验表明,模式物理过程及边界条件是影响GRAPES _Meso区域集合预报不确定性的不可忽视因素.     

数值天气预报模式产品在预报业务中的应用

介绍了数值预报模式产品性能的基本特征,讨论了模式产品误差的地理、季节和层次分布、不同尺度模式产品的可预报性、模式输出要素及物理量、指数的误差特点,并根据目前业务中常见的错误预报思路探讨了应用数值预报模式产品的合理思路,指出现代预报业务中预报员的作用。认为现代预报员应该了解几种基本的数值预报模式的特性及基本原理,集合各种模式的优点,综合本地预报经验,有效利用海量数值预报产品,做出更高质量的预报结果。     

上海地区春季最高气温预报失败案例分析

本文分析了2015年3月17—18日上海地区连续两天发生最高气温预报失误的天气背景,并使用当日实况观测和业务预报使用的数值模式资料,剖析预报失败的原因,分析表明:对天空状况的误判是导致17日预报失败的主要原因,且东南风预报偏强更进一步增大了预报误差;冷空气影响时间的判断失误是导致18日预报失败的主要原因。从模式预报的实时检验、预报的跳跃性和不确定性角度分析了预报中存在的问题:预报员应重视本地和上游实况,从传统对单一确定性模式预报的依赖向多模式多起报时次及能提供概率预报和不确定性信息的业务集合预报的分析思路转型。此外,还需加强对集合预报的系统性检验、评估及数值预报释用产品的开发,增加包含不确定性信息的公众天气预报发布形式。     

基于动力降尺度的区域集合预报初值扰动构建方法研究

利用全球集合预报系统资料(Global Ensemble Forecast System,GEFS),基于WRF中尺度模式构建了区域集合预报系统,区域集合初值的构建采用两种方案,一种是GEFS全球集合预报初值场直接动力降尺度(称为DOWN集合),另一种是提取GEFS全球集合降尺度后的扰动场,并叠加到区域数值预报系统(北京快速更新循环数值预报系统:Beijing Rapid Update Cycle System,BJ-RUC)分析场上构建集合初值场(称为D-RUC集合)。进行了批量试验,通过对比发现D-RUC集合的中小尺度扰动增长优于DOWN集合,而大尺度扰动分量的增长两者相当,说明与高分辨率分析场叠加可以促进动力降尺度扰动的中小尺度扰动分量的增长。集合预报扰动准确性检验结果显示,短预报时效内DOWN集合扰动明显低估了预报误差,在预报误差较大的位置扰动较小,而D-RUC集合能够更好地识别预报场中哪些位置预报误差较大,而哪些位置预报误差较小。集合预报检验结果表明,D-RUC方法能显著改善短时效预报效果,集合离散度有所增加、均方根误差有所减少,概率预报评分显示D-RUC集合比DOWN集合在短预报时效占优。降水个例分析结果表明D-RUC方法能显著改善短时效内的降水概率预报效果。     

西北太平洋(含南海)热带气旋路径集成预报分析

基于2004—2009 年中国中央气象台、日本气象厅、美国联合台风警报中心、欧洲中心对西北太平洋和南海编号热带气旋主客观预报资料,利用算术平均、多元回归以及历史平均误差等三种集成方法,建立了热带气旋路径集成预报业务化系统。通过2007—2009 年的业务运行结果分析发现,欧洲中心客观预报参与的24、48 和72 h 集成比主观预报三个成员集成预报水平分别提高约2%、3%～5%和3%～5%,减小误差2.5 km左右、6～9 km 和10～12 km。技巧分析发现,24～72 h 集成预报有正技巧,多元回归集成技巧相对稍低,而算术平均和以各成员平均误差的平方倒数为权重系数的集成技巧对于各集成成员来说技巧差异不大。96 h 集成预报对欧洲中心的客观预报没有正技巧。      

Development and Application of an Atmospheric-Hydrologic-Hydraulic Flood Forecasting Model Driven by TIGGE Ensemble Forecasts

A coupled atmospheric-hydrologic-hydraulic ensemble flood forecasting model,driven by The Observing System Research and Predictability Experiment (THORPEX) Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE) dat...     

Comparison of extended medium-range forecast skill between KMA ensemble,ocean coupled ensemble,and GloSea5

This article describes a three way inter-comparison of forecast skill on an extended medium-range time scale using the Korea Meteorological Administration (KMA) operational ensemble numerical weather prediction (NWP) systems (i.e., atmosphere-only global ensemble prediction system (EPSG) and ocean-atmosphere coupledEPSG) and KMA operational seasonal prediction system, the Global Seasonal forecast system version 5 (GloSea5). The main motivation is to investigate whether the ensemble NWP system can provide advantage over the existing seasonal prediction system for the extended medium-range forecast (30 days) even with putting extra resources in extended integration or coupling with ocean with NWP system. Two types of evaluation statistics are examined: the basic verification statistics - the anomaly correlation and RMSE of 500-hPa geopotential height and 1.5-meter surface temperature for the global and East Asia area, and the other is the Real-time Multivariate Madden and Julian Oscillation (MJO) indices (RMM1 and RMM2) - which is used to examine the MJO prediction skill. The MJO is regarded as a main source of forecast skill in the tropics linked to the mid-latitude weather on monthly time scale. Under limited number of experiment cases, the coupled NWP extends the forecast skill of the NWP by a few more days, and thereafter such forecast skill is overtaken by that of the seasonal prediction system. At present stage, it seems there is little gain from the coupled NWP even though more resources are put into it. Considering this, the best combination of numerical product guidance for operational forecasters for an extended medium-range is extension of the forecast lead time of the current ensemble NWP (EPSG) up to 20 days and use of the seasonal prediction system (GloSea5) forecast thereafter, though there exists a matter of consistency between the two systems.