数值天气预报和气候预测的集合预报方法:思考与展望

从初始误差、模式误差以及两者综合影响的角度,综述了天气、气候集合预报方法的研究进展,指出了传统方法的优势,同时也评论了这些方法的局限性,提出了对未来先进集合预报方法的一些思考,以及需要解决的挑战性问题和可能的应用。     

动槽水银气压表示值误差成因分析

分析了影响动槽式水银气压表准确性的主要因素和示值误差成因,阐述了仪器清洗和提高示值精度的有关技术性方法.     

2017年西北太平洋和南海热带气旋预报精度评定

以中国气象局上海台风研究所整编的最佳路径数据集为依据,对2017年西北太平洋和南海海域热带气旋定位精度及路径、强度和登陆点预报精度进行了评定。评定结果表明：2017年定位总平均误差为26.7 km,比2016年略偏大。无论是主观预报还是客观预报方法,近两年在72 h以内的路径预报整体水平并没有超越2015年。2017年,中央气象台除了对台风纳沙在台湾宜兰的24 h登陆点预报较差外,其余台风的24 h登陆点预报误差基本在65 km以下。采用不同机构的最佳路径或实时定位定强数据作为参考会对精度评定的结果产生较大影响。     

2019年影响中国台风的降水预报误差及其来源研究

针对2019年影响中国的8个台风,利用面向降水对象的CRA(contiguous rain area)方法研究了欧洲中期天气预报中心确定性预报的降水误差来源,及其在不同预报时段和降水量级下的变化趋势,分析了台风路径预报误差与降水对象的CRA位置误差之间的相关性,对比计算了台风路径修正与CRA shifting方法对于改进降水预报的作用,并评估了台风降水概率分布、径向分布和非对称分布的预报误差。结果表明:总体而言,台风降水预报的主要误差来自于位置误差和形态误差;除特大量级降水以外,台风降水对象的CRA位置误差与路径误差显著相关,通过修正台风路径能改进降水预报,但其效果要逊于CRA shifting方法;预报的台风降水概率密度分布形态与观测总体上较为一致,但台风核心区内的预报降水强度均大于观测;台风登陆或靠近我国沿海前后,预报降水较观测更靠近台风中心,且略滞后于观测,预报降水的非对称性明显弱于观测。     

谐波分析中波参数的误差分析

谐波分析中由于采用离散数据的有限差分代替对函数的连续积分以及实际离散数据取样方式和数据性质的不同等原因,谐波参数或多或少存在一定的计算误差和拟合误差。本文着重讨论了离散化效应对截断频率谱参数的影响以及气象中各种常用离散数据的谐波参数误差情况和校正误差的方法。     

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上，建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统，对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析，研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明:区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同，且不同的物理量在时空的分布也不同；动能场的误差主要在边界区上层的流入区，感热场的误差在边界区上层，水汽的误差在边界区上层的流入区；侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差，在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重，嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关；在大小模式物理参数化过程一致的条件下，无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。     

深圳市闪电定位资料误差分析及其优化

利用场地误差优化模式对深圳地区的地闪定位资料进行优化处理。首先对深圳市闪电定位系统进行简单介绍,然后利用改进的传输线模式对真实地表环境下的闪电辐射电磁场进行计算,以分析深圳市闪电定位系统的场地误差,最后基于定位误差和场地误差模式对闪电定位数据进行定位误差订正。结果表明不同方位角上的不规则地形对继后回击电磁场波形具有不同影响,随着表征地形粗糙程度的高度均方根的增加,电场的峰值下降,波形的上升沿时间增加。同时,电场波形上升沿时间也会随着方位角的变化而变化,这可能会给时间到达法的定位带来一定误差。为了验证该算法的合理性,对该系统覆盖的区域进行了闪电定位数据优化精度的时空分布分析和评估。结果表明这种优化方案是可行的、可靠的,优化后的闪电定位精度明显提高。     

浅析小型蒸发器测定蒸发的误差

气象台站测定的蒸发量,是指一定口径蒸发器中的水因蒸发而降低的深度。目前台站普遍使用小型蒸发器进行蒸发量测定。小型蒸发器具有构造简单、操作方便的特点。观测资料长,对同一地区来说有一定的代表性。但是小型蒸发器观测的蒸发量只能代表该仪器在特定环境下的蒸发量,不能代表实际的水面蒸发量。而且小型蒸发器由于仪器构造、安装、观测等因素影响,记录代表性差,误差也较大,归纳起来大概有以下几种误差。1仪器构造误差小型蒸发器口部分有一个安置喇叭状金属丝网圈的平面环边。遇有降水时,按《规范》要求,须取下网圈。这样不但平面环边有…     

从Nio-3指数看MJO不确定性对ENSO可预报性的影响

通过在Zebiak Cane数值模式中引入参数化MJO随机外强迫,着重从Nio 3指数的演变发展探讨了MJO不确定性对ENSO可预报性的影响。结果表明,对Zebiak Cane模式而言,MJO不确定性对由条件非线性最优扰动(CNOP)导致的ENSO事件最大预报误差影响较小;与初始误差相比,由MJO不确定性产生的模式误差在ENSO预报不确定性的产生中具有较小作用,对ENSO可预报性的影响不显著。该结果强调了初始误差在ENSO预报不确定性中的主要作用,从而为ENSO预测的资料同化提供了理论基础。     

从Nio-3指数看MJO不确定性对ENSO可预报性的影响北大核心CSCD

通过在Zebiak Cane数值模式中引入参数化MJO随机外强迫,着重从Nio 3指数的演变发展探讨了MJO不确定性对ENSO可预报性的影响。结果表明,对Zebiak Cane模式而言,MJO不确定性对由条件非线性最优扰动(CNOP)导致的ENSO事件最大预报误差影响较小;与初始误差相比,由MJO不确定性产生的模式误差在ENSO预报不确定性的产生中具有较小作用,对ENSO可预报性的影响不显著。该结果强调了初始误差在ENSO预报不确定性中的主要作用,从而为ENSO预测的资料同化提供了理论基础。     

误差订正在预报集成中的应用研究

根据误差的特性，即误差由系统误差和随机误差组成，对保山5月雨量的几种预报方法的预报结果进行分析，寻找系统误差的订正方法，降低系统误差的影响。将几种预报方法订正后的结果平均从而消除随机误差，其预报结果明显改善，平均误差和均方根误差明显降低，预报准确率明显提高，可以在业务预测中广泛推广应用。     

Application of an error statistics estimation method to the PSAS forecast error covariance model

In atmospheric data assimilation systems, the forecast error covariance model is an important component. However, the paralneters required by a forecast error covariance model are difficult to obtain due to the absence of the truth. This study applies an error statistics estimation method to the Pfiysical-space Statistical Analysis System （PSAS） height-wind forecast error covariance model. This method consists of two components： the first component computes the error statistics by using the National Meteorological Center （NMC） method, which is a lagged-forecast difference approach, within the framework of the PSAS height-wind forecast error covariance model; the second obtains a calibration formula to rescale the error standard deviations provided by the NMC method. The calibration is against the error statistics estimated by using a maximum-likelihood estimation （MLE） with rawindsonde height observed-minus-forecast residuals. A complete set of formulas for estimating the error statistics and for the calibration is applied to a one-month-long dataset generated by a general circulation model of the Global Model and Assimilation Office （GMAO）, NASA. There is a clear constant relationship between the error statistics estimates of the NMC-method and MLE. The final product provides a full set of 6-hour error statistics required by the PSAS height-wind forecast error covariance model over the globe. The features of these error statistics are examined and discussed.     

随机误差对混沌系统可预报性的影响

根据非线性局部Lyapunov指数的方法, 以Logistic映射和Lorenz系统的试验数据序列为例, 研究了在初始误差存在的情况下, 随机误差对混沌系统可预报性的影响。结果表明: 初始误差和随机误差对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于两者的相对大小。当初始误差远大于随机误差时, 系统的可预报期限主要由初始误差决定, 可以不考虑随机误差对预报模式可预报性的影响; 反之, 当随机误差远大于初始误差时, 系统的可预报期限主要由随机误差决定; 当初始误差和随机误差量级相当时, 两者都对系统的可预报期限起重要作用。在后两种情况下, 在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑随机误差的作用。此外, 我们在已知系统精确的控制方程和误差演化方程的条件下, 研究了随机误差对可预报性的影响, 理论所得结果与试验数据所得结果相似。这表明在随机误差较小的情况下, 对系统可预报期限的估计相对准确, 但在随机误差较大的情况下, 可预报期限的估计误差也较大。本文利用三种不同的滤波方法对序列进行了试验, 结果表明, Lanczos高通滤波得到的高频序列与原始加入的噪声序列无论是在强度上还是在演变趋势上都表现得相当一致, 其能有效地去除高频噪音继而提高对系统的可预报期限的估计, 这对实际气象观测资料如何有效地去除噪音具有一定的启发意义。     

总云量产品在中国区域的分析检验

对ISCCP、常规观测以及MODIS总云量3种目前使用较多的总云量资料进行对比分析, 重点考察时间序列较长的ISCCP和常规观测总云量, 给出定量对比结果, 为使用这3种总云量资料的用户提供参考。研究表明:ISCCP与常规观测总云量相比, 7月二者的空间分布具有很好的一致性, 但白天ISCCP总云量比常规观测总云量多, 夜间却往往比常规观测总云量少, 二者误差分布表现为东部和东南部小于西北部的特征; 而1月二者空间分布比较一致, 但是在天山和东北地区高、低值中心经常不匹配, 这两个区域总云量资料需慎用; 7月ISCCP总云量精度明显高于1月。ISCCP、常规观测以及MODIS总云量对比结果表明:1月MODIS总云量比其他两种资料大, 而7月为最小。相对常规观测, 1月ISCCP总云量精度优于MODIS, 而7月MODIS总云量略优于ISCCP。     

气象科技论文中常用差值辨析及建议

为了准确表达科研成果,在气象科技论文写作中须了解各种差值的内涵和区别。常用差值包括绝对误差、相对误差、均方根误差、标准差、距平和方差等。绝对误差并非误差的绝对值,是与真值的差值,其单位与真值相同;相对误差是相对于真值的差值,应以百分数形式出现;均方根误差也是相对于真值的差值,其单位与真值相同;标准差是相对于平均值的差值,其单位与真值相同。通常情况下,这些统计量不能混用,要注意辨析,以准确传意,保证科技论文写作的科学性和逻辑性。     

THE INSTABILITY OF TRAJECTORY AND ERROR GROWTH*

The purpose of this paper is to study the dynamical mechanism of error growth in the numerical weather prediction.The error is defined in the sense of generalized energy,simply called energy error.From the spectral form of the primitive equations,we have derived the evolution equations of error in detail.The analyses of these equations have shown that the error growth rate is determined by the tangent linear equations.The nonlinear advection caused by the error perturbation itself contributes nothing to the error growth rate,and only redistributes the error.Furthermore,an approach to calculation of the error growth rate has been developed,which can also be used to study the local instability of time-independent basic state as well as time-dependence basic state.This approach is applied to well-known Lorenz's system,and the results are indicative of the correctness and significance of the theoretical analyses.     

轨线不稳定与误差增长

从一般的谱展开方程出发，详细推导了误差增长方程。结果表明误差增长率主要由准确解的切线性方程所决定，扰动非线性平流作用不产生方差意义下的误差增长，而只起分配误差的作用。轨线不稳定是产生误差增长的根本原因。文中提出了计算轨线不稳定增长率的方法。这一方法也适合于时间演变状态不稳定问题的讨论，对Ｌｏｒｅｎｚ系统的轨线不稳定计算表明了理论分析的正确及其意义。     

A Case Study of the Error Growth and Predictability of a Meiyu Frontal Heavy Precipitation Event

The Advanced Regional Eta-coordinate Model (AREM) is used to explore the predictability of a heavy rainfall event along the Meiyu front in China during 3-4 July 2003.Based on the sensitivity of precipitation prediction to initial data sources and initial uncertainties in different variables,the evolution of error growth and the associated mechanism are described and discussed in detail in this paper.The results indicate that the smaller-amplitude initial error presents a faster growth rate and its growth is characterized by a transition from localized growth to widespread expansion error.Such modality of the error growth is closely related to the evolvement of the precipitation episode,and consequcntly remarkable forecast divergence is found near the rainband,indicating that the rainfall area is a sensitive region for error growth.The initial error in the rainband contributes significantly to the forecast divergence,and its amplification and propagation are largely determined by the initial moisture distribution.The moisture condition also affects the error growth on smaller scales and the subsequent upscale error cascade.In addition,the error growth defined by an energy norm reveals that large error energy collocates well with the strong latent heating,implying that the occurrence of precipitation and error growth share the same energy source-the latent heat.This may impose an intrinsic predictability limit on the prediction of heavy precipitation.     

数值天气预报中的误差增长及大气的可预报性

本文用数值试验方法,对模式预报中误差增长的物理机制作了初步研究。结果为,初始误差的大小直接影响以后的误差增长,相比而言,初始误差的随机分布形态影响很小。小尺度误差自身增长较快,并通过各尺度之间的非线性相互作用,小尺度误差向大尺度和行星尺度误差转移,促使整个系统的误差增长。地形对误差增长的影响为,当初始误差特征尺度为小尺度(8—21波)时,地形加强误差增长,初始误差为行星尺度(0—3波)时,地形抑制误差增长,可能存在一临界波长,该波长在4—7波之间。故地形对可预报性的影响与初始误差的特征尺度有关。在初始误差相同时,北半球误差增长较南半球块。最后,为提高模式的预报能力,就模式本身及初始化方案等方面进行了讨论。     

双线偏振雷达的降水估测Ⅱ. 误差分类分析

详细地定量分析了降水估测中的ＺＲ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的ＺＲ关系之间无明显差别;ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大;双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小;ＺＲ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可认为呈一偏差逼近于０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。