集合预报开创了业务数值天气预报的新纪元

近年来世界上随着几个气象中心的集合预报投入业务,标志着业务数值天气预报进行了一个新的纪元,在任何进修大气的起初状态是不知道的,只有近似地描述大气,所以确切地说,天气预报问题应该提为大气的相空间中合适的概率密度函数随时间的演变。在误差的增长超出线性动力学范畴之外,集合预报是预报大气概率密度函数演变唯一可行的方法。可用扰动的产生是集合预报的主要问题之一。沿着预报系统的相空间中最不稳定的方向来扰动初始条     

Comparison of different land-surface perturbation methods in short-range ensemble forecasts

为了比较不同陆面扰动方法对短时集合预报的影响,本研究设计了陆面模式扰动实验(LSMPE),初始土壤湿度扰动实验(ISMPE),陆面-大气耦合系数扰动实验(LCCPE)以及大气扰动对照实验(GEFSPE).结果表明,在三组陆面扰动实验中,LSMPE能代表最大的不确定性且误差最小;ISMPE的离散度要比LCCPE稍大,但是耦合系数的减弱能有效降低区域平均降水量.然而,所有陆面扰动实验产生的离散度均小于GEFSPE,这表明未来有必要将陆而扰动与大气扰动相结合,以使得模式能代表更多的不确定性.     

分析约束的集合预报初始扰动构造方案的研究

集合预报初始扰动准确描述大气运动的不确定性是集合预报研究的核心问题,合理的扰动结构及振幅应能更好地反映大气运动状态的预报误差特征。随着集合扰动和资料同化的深入研究和理解,集合初始扰动方案与集合同化紧密结合协同发展。本文基于中国气象局数值预报中心自主研发的GRAPES-REPS集合预报系统,针对其初始扰动的结构和振幅与预报误差一致性较差的不合理问题,结合不同空间尺度天气系统预报误差特征,将表征预报不确定性的集合扰动与表达观测和预报不确定性的资料同化分析增量有效结合,研究提出了一种改善集合初始扰动质量的分析约束方案,以实现对集合初始扰动质量进一步改善。分析约束方案充分考虑资料同化分析增量的空间结构和量值特征,分别构造了单一定常和具有一定适应能力的两种分析约束函数,实现对初始扰动中不合理信息的识别和约束调整。试验结果表明,具有适应能力的分析约束方案对集合初始扰动具有良好的调整能力,约束后集合扰动的结构和振幅与中小尺度天气系统的预报误差更为吻合,其集合离散度和扰动能量的空间结构与演变特征更加趋于合理。分析约束方案可有效改善集合初始扰动质量及其预报性能。     

华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

榆林至包头航路一次晴空颠簸分析

飞机颠簸是飞机飞经大气中的湍流扰动层而有的现象,因此,颠簸的预报,首先是对大气中湍流扰动的预报。晴空湍流一般出现在６～１５ｋｍ高度,湍流区常有明显的边界,飞机一旦进入,往往突然产生颠簸,特别是产生强颠簸时,对于飞机结构、操纵飞机、仪表指示、旅客安全都...     

不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的对比试验研究

由于适用于中长期集合预报的模式扰动技术在风暴尺度集合预报系统中的影响并不明确,为探究不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的效果,基于WRF模式设计了3组模式扰动方案:多物理扰动（MP）方案、随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT）方案以及由MP方案与SPPT方案组合构建的一种新混合扰动（SPMP）方案。对2013年7月5—6日发生在江淮流域的一次强对流天气过程进行了数值模拟。结果表明:MP方案在积分前期的降水概率评分较高,对高层大气的扰动效果更为合理;SPPT方案主要作用于积分中后期,对大气低层及近地面的扰动效果最为理想,尤其是对于地面水汽场的模拟;SPMP方案能显著提高大气中高层各预报变量的离散度,降低均方根误差,提升集合成员的可信度,有效弥补降水预报评分在单独使用MP方案和SPPT方案不同积分时段的不足。在扰动水平传播方向上,SPMP方案的扰动形态主要受MP方案主导;垂直方向上,SPMP方案在低层的扰动形态与SPPT方案一致,在高层受MP方案控制。波谱能量分析表明3组方案的扰动能量随积分时间均有向大尺度传播的趋势,SPMP方案能有效补偿两种方案能量在各尺度的耗散。      

国家气象中心中期集合预报系统概况

随着对大气初值及数值模式存在不确定性的认识以及计算机技术的飞速发展，集合预报已经成为数值预报发展的重要方向之一。本文介绍集合预报的基本概念及初值扰动的特点和国家气象中心集合预报系统的概况。     

基于随机物理过程扰动的BMJ积云参数化方案对降水集合预报的影响

基于ARPS模式和随机物理过程参数化扰动（stochastically perturbed parameterization）方法,通过10个2018年6—7月间的降水个例,讨论了针对BMJ积云降水参数化方案下不同参数化扰动方式对降水预报的影响。扰动方式包括扰动BMJ方案的温湿倾向和扰动BMJ方案的温湿参考廓线。试验的结果表明BMJ方案在华东区域的降水预报中存在湿偏差,即预报的降水事件多于相应的观测事件。这一偏差在系统性增加参考廓线湿度后仍然存在。BMJ方案对不同扰动方式的响应存在较大差异。扰动BMJ方案的温湿倾向对降水预报的影响较小,且集合离散度低。扰动BMJ方案的温湿参考廓线对降水预报影响显著,能够大幅增加集合离散度,其中对称的BMJ参考廓线扰动对预报技巧评分改进有限,原因是小雨的湿偏差有所增加,而非对称的BMJ参考廓线扰动（扰动均值大于1.0）能够有效提高预报技巧评分并降低湿偏差。此外,非对称扰动大幅改善了BMJ降水预报初期（0～3 h）的空间分布形态,并且改进了夜间降水预报的强度。非对称扰动评分较高的原因是减少了原BMJ方案在降水预报初期的的大范围虚假预报,避免了大气湿度的大范围下降,保障了预报后期的强降水预报能力。而BMJ方案温湿倾向量级较小则是造成倾向扰动方法效果不明显的重要原因。     

低频扰动增量法在华南冬季低温延伸期预报中的应用研究

通过扰动物理量分解方法和增量预报方法,提出低频扰动增量的定义,分析冬季大气低频扰动信号与华南低温事件的可能联系,构建基于低频扰动增量的华南冬季低温延伸期预报模型,为低温延伸期预报提供科学参考依据。分析表明:(1)东半球500 hPa高度场低频扰动变化显著区域主要位于中高纬度45°×80°N地区,尤其在乌拉尔山脉附近及其以西的东欧地区和贝加尔湖以北的中西伯利亚地区;(2)500 hPa中高纬高度场和风场低频扰动增量的前两个EOF模态反映了周期为20 d左右低频振荡的传播型模态,EOF1反映的是导致中高纬度两槽一脊型的环流形势得以维持的低频扰动特征,EOF2反映的是中高纬度高空槽东移后出现的低频扰动特征,研究揭示了华南最低气温低频扰动增量与该低频传播模态的关系十分密切;(3)基于低频扰动增量的延伸期预报准确率明显优于直接应用原始场的延伸期预报,重点抓住大尺度环流的低频扰动增量及由其引起的预报量的扰动增量,可以提高延伸期预报的准确率。     

天气预报的三次跃进

回顾过去100多年,天气预报经历了两次跃进:第一次是地面和高空天气图的绘制和应用(空间上的跃进),第二次是数值预报的实施(时间上的跃进)。经过这两次跃进,天气预报已经走过了从经验和定性描述到今天定量计算的一门数理学科。洛伦兹发现大气混沌现象后,天气预报正在经历从单一确定论到多值概率论的第三次跃进(观念上的革命),并试图通过量化或简化不确定因素来提高天气的可预报性和降低预报的不确定性。重点介绍两种现行的量化或简化不确定因素的做法:一是直接面对问题(量化),即用集合预报的方法,定量描述预报的不确定性,使之成为预报的一部分,让用户在决策时科学地应用更全面的预报信息;二是绕开数学上的难题(简化),把大气变量分解为瞬变气候与瞬变扰动两个部分,用瞬变扰动建立与异常天气之间的联系。     

Response Characteristics and Mechanism Analyses on Monthly Circulation to SST Anomaly Force

利用全球中期数值预报谱模式,通过在海表温度气候态上叠加不同扰动的方法,研究了不同季节月尺度大气环流对海表温度变化的响应特征及机理。结果表明,大气响应首先出现海表温度的高值区和海温扰动变化的大值区,其发展和演变还与大气环流的背景场有关,大气响应发展达到稳定的状态是沿南、北半球西风急流附近的纬向波状分布;在不同季节,对不同分布的海表温度变化,大气环流响应的速度不同,但在月尺度内大气响应都能达到最大值;相对于夏季,冬季大气响应最大值达到的高度更高,大气响应对扰动的形态更敏感。     

月尺度环流对SST强迫的响应特征及机理分析

利用全球中期数值预报谱模式,通过在海表温度气候态上叠加不同扰动的方法,研究了不同季节月尺度大气环流对海表温度变化的响应特征及机理。结果表明,大气响应首先出现海表温度的高值区和海温扰动变化的大值区,其发展和演变还与大气环流的背景场有关,大气响应发展达到稳定的状态是沿南、北半球西风急流附近的纬向波状分布;在不同季节,对不同分布的海表温度变化,大气环流响应的速度不同,但在月尺度内大气响应都能达到最大值;相对于夏季,冬季大气响应最大值达到的高度更高,大气响应对扰动的形态更敏感。     

MJO ensemble prediction in BCC-CSM1.1 (m) using different initialization schemes

热带大气季节内振荡(MJO)预报是国际研究热点,我国尚处于起步阶段。近些年国际上MJO预报水平得到大幅提升,主要得益于包含海气耦合过程的气候模式的使用,这其中模式预报初始化和集合扰动生成方法至关重要。本文发展了适用于国家气候中心第二代气候预测业务模式BCC-CSM1.1(m)的MJO初始化方案,并在此基础上提出了基于不同初始化方案形成扰动的集合预报新方法,可以将MJO有技巧预报时效延长到约20天,为次季节-季节预报提供重要依据。     

集合预报多尺度奇异向量初值扰动方法研究

目前国际上采用的奇异向量集合预报初值扰动法对于初值不确定性的描述存在一定的不足,为了更有效地反映初始误差的时空多尺度特性,基于GRAPES全球奇异向量计算技术,计算了不同空间分辨率及不同最优时间间隔的多个尺度的奇异向量,并采用基于高斯分布的线性组合法来构造多尺度奇异向量的扰动初值,以代表在相空间中增长最快的多尺度初值误差模态。通过2019年1月19日的初值扰动集合预报试验,对比分析了单一尺度奇异向量初值扰动法与多尺度初值扰动法的扰动特征及集合预报效果。结果表明,多尺度奇异向量初值扰动法为区域集合预报提供的初始扰动场是合理的,扰动的大小随时间增长,且在空间分布上较好地反映了当前大气的斜压不稳定特征。此外,多尺度奇异向量扰动可以描述一定的大尺度以及中小尺度运动误差特征,较单一尺度奇异向量扰动能反映出更多初始场的不确定性信息。检验分析表明,GRAPES多尺度奇异向量集合预报在集合一致性、连续等级概率评分、离群值等方面有一定的优势,相比于单一尺度奇异向量法有较好的预报技巧。因此,基于GRAPES的多尺度奇异向量初值扰动法对于集合预报的预报效果有一定的提高,能为构建一套完善的GRAPES区域奇异向量集合预报系统提供一定的科学依据和应用基础。      

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。     

区域集合预报对华南一次暴雨试验研究

利用增长模繁殖法(BGM),对2012年6月我国长江中下游及华南地区的一次强降水过程进行了不同扰动方案的集合预报试验研究。分别对集合预报中只考虑初值扰动、加入模式物理过程扰动和加入地表参量扰动的三种不同扰动方案进行了对比试验,并对最优试验方案的降水集合预报结果进行检验分析。(1) 同时考虑风场、温度场、湿度场、高度场和地表参量的初值扰动,以及考虑模式物理过程扰动的降水集合预报效果最优,可有效提高灾害性天气的预报效果。(2) 初值扰动和模式物理过程扰动对降水预报都有着重要的影响,相同的模式物理过程扰动会由于不同的初值扰动而产生较大差异,并且扰动的集合平均预报对降水有较好的指导意义 。(3) 对于位势高度场预报检验 ,集合预报平均要好于控制预报,并且随着预报时效延长,这种优势更加明显。(4) 对此次强降水过程在长江中下游、华南地区和全国区域的各量级降水预报TS评分检验可知,集合预报较单一的决定性预报(控制预报)效果有明显改善;集合平均预报一般都好于控制预报 ,同时集合预报也为预报员提供了天气不确定性的警示作用。      

风暴尺度集合预报中不同初始扰动的多尺度发展特征研究

基于WRF模式构建集合更新预报系统,利用Haar小波分解方法分析了北京"7·21"特大暴雨过程中三种初始扰动方案所构造集合扰动的多尺度特征,基于此探讨了混合初始扰动方法的可行性,并对比了三种扰动对误差的模拟能力。其中扰动方案一是由集合转换卡尔曼滤波方法(ETKF)对NCEP全球集合预报的分析扰动更新后得到,扰动方案二(DOWN)是直接由NCEP全球集合预报扰动插值到试验所设置的模式网格中得到,而扰动方案三(BLEND)则是将上述二者通过Barnes滤波进行尺度混合后得到。结果表明:各组扰动的能量均随时间增长,其中包含分析不确定性的ETKF扰动在预报中前期有较高的中小尺度能量,而DOWN扰动有较高的大尺度能量且能量增长速度明显快于ETKF,二者能量的大值区最终都向中尺度(64~128 km)部分发展,混合后的扰动(BLEND)能量在预报中前期增长速度最快,综合表现最优。从扰动成分来看,ETKF和DOWN中在预报前期可以快速增长的部分均集中在8~32 km的小尺度上,64~128 km部分的中小尺度的扰动信息增长缓慢,而256 km的中尺度信息则很快被耗散,这为如何选取合理的滤波波段构造多尺度混合扰动提供了依据。从降水预报结果来看,控制预报误差主要集中在降水的大值区,虚假初始扰动会导致预报初期产生虚假降水区;在暖区降水阶段,扰动对误差的模拟能力较弱,而在锋面降水阶段,扰动对误差的模拟能力明显提高,总体来看大尺度的误差较难模拟,三种方案中BLEND对误差的模拟能力最强;根据扰动-误差的相关分析同样验证了BLEND在误差模拟能力方面的优势;在降水预报TS评分方面,各组集合试验均优于控制试验,其中BLEND的效果略优于ETKF和DOWN。     

基于BGM的暴雨集合预报初始扰动发展分析

基于增长模繁殖法（BGM）思想,采用AREM（新一代区域η坐标模式）,研究了暴雨过程中,初始随机扰动在繁殖循环中随时间的演变特征和发展机理。结果表明,初始扰动的演变决定于环流背景场的结构和大气中的湿物理过程。背景场不仅影响扰动的演变规律,而且决定了扰动发展的敏感区域。初始扰动随时间演变存在两个敏感区,一是背景场的大风速区,二是降水区附近。对流层高层,大风速区附近扰动得到最优发展;对流层中低层,扰动不仅沿大风速区发展,且与降水区配合较好。初始扰动发展的机理也有两种,一是大气湿物理过程引起的位势不稳定或第二类条件不稳定（CISK）;二是由风切变引起的大气动力不稳定。高层扰动的增长,以干大气的动力不稳定占优,中低层扰动的发展主要是湿物理过程的贡献,初始扰动在模式中的发展与降水的发展是同“源”的,有利于降水发展的环境也有利于初始扰动的发展,从而影响了降水的可预报性。所以利用暴雨预报模式制作集合预报时,BGM仍是可用的方法。     

不同资料大气扰动分量对2010年台风鲇鱼强度变化的描述

基于模式分析和再分析资料绘制的天气图是诊断和预报极端天气事件的常用方法。近年来的研究表明,这些资料中的气象变量分解为瞬变气候和扰动两个分量后,其中的扰动分量不但能够很好地指示地面上发生的暴雨落区、热浪与低温的位置,也能指示极端天气事件的异常强度。本文以近年来研究者们广为关注的2010年台风鲇鱼为例,首先分析四家气象机构对台风强度估计的不一致性,并比较不同分析与再分析资料中大气变量对台风强度的描述;然后描述欧洲再分析资料分解的高度扰动和温度扰动之间存在的静力平衡关系,得到大气扰动分量可以直接指示台风强度随时间的相对变化。本文研究指出,各家发布的路径资料以及再分析资料对台风的定强都有差异,但大气变量分解后的扰动分量对台风强度变化有一定指示意义,可为诊断和预报提供参考。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。