热带气旋集合预报研究进展

集合预报是减小各种不确定性影响数值预报结果的有效方法,将该方法应用于热带气旋（TC）数值预报的研究开始于1990年代中期,已经取得了很多令人鼓舞的成果。对TC集合预报的研究进展做简要概述,主要包括:（1） TC集合预报技术包括基于单一模式的TC集合预报技术与TC多模式超级集合预报技术,前者包含初值扰动技术和模式扰动技术,后者在大部分情况下预报效果较好。（2） 基于全球中期集合预报系统的TC集合预报,是近年来TC集合预报发展的一个新趋势。（3）将集合预报应用于TC生成与发展的研究是近年来TC集合预报应用的拓展。未来TC集合预报的发展将与数值预报其他技术的发展更紧密地结合,集合预报技术在TC研究中将发挥越来越重要的作用。      

数值预报发展的新方向——集合数值预报

数值预报走过了百年的历史(V.Bjerknes,1904)[1],取得了了不起的成就,预报准确率有了很大的提高。但是,考虑到大气的非线性作用以及初值和模式造成的数值预报不确定性,要提高传统的单一确定性预报的技巧越来越难。基于大气初值的敏感性试验,Lorenz提出了数值预报发展的新方向——集合数值预报。通过介绍集合数值预报的基本思想和方法;并针对初值和模式的不确定性,概述现有集合数值预报成员的产生方法及国内外的研究进展;同时解释怎样检验集合预报的结果的论述,如何从众多的集合预报产品中提炼有用的信息及预报产品的释用。     

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。     

内蒙古集合预报业务进展

综述了近一年来内蒙古集合预报业务进展情况。内蒙古集合预报业务经历了集合预报资料接收、集合预报处理系统和工具箱引进及本地化、集合预报本地化应用、集合预报二次开发三个阶段,完成了国家气象中心下发资料的及时稳定接收、数据处理系统和工具箱的本地化业务应用,实现了数值预报产品的本地化解释应用和全区共享,通过集合预报二次开发工作,实现了在内蒙古风电场、航空主着陆场及要素预报方面的保障服务工作。     

短期集合预报中定量降水预报集合方法初探

针对短期集合预报中集合平均等方法对极端天气事件预报能力低下的缺陷，提出一种定量降水预报集合方法，简称两步法。该方法首先采用逐级归并法确定集合成员的总体相似度，进而确定集合成员预报场的延伸半径，对各成员的预报场进行修正，然后根据每个成员与其他成员的相似程度，确定各成员的权重系数。这个方法既考虑了集合成员总体的差异性又考虑了降水的概率分布。试验证明，通过上述两步得到的定量降水预报，对提高极端天气事件的预报确率有一定效果。本方法无需历史资料，能很好适应集合成员的改变，实现方便快捷。     

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。     

基于集合预报产品的降尺度降水预报试验

利用降水距平百分率的降尺度预报方法和1951-2008 NCEP资料及我国降水资料,建立了降水距平百分率的预报模型,基于T106L19模式的月动力延伸集合预报结果,进行了2007-2009年3 a的预报试验和效果检验.结果表明,基于集合预报产品的统计降尺度方法对降水距平百分率的预报技巧高于模式降水的预报技巧;500 hPa月平均高度场的预报技巧直接影响到降水距平百分率的预报技巧,平均环流的预报技巧越高,降水距平百分率的预报技巧越高;无论集合成员数为多少,集合预报的结果都明显优于控制预报,随着集合成员数的增多,预报技巧呈增大的趋势;我国降水具有显著的季节性和区域性,以江淮地区的降水距平百分率预报技巧最高,华南地区的预报技巧其次.     

基于WRF和一维雾模式的能见度集合预报的个例研究

利用WRF(weather research and forecasting)中尺度模式为一维辐射雾模式PAFOG提供扰动场,构建了一个有30个成员的辐射雾集合预报系统。对2007年12月13—14日南京地区一次典型辐射雾过程进行了预报效果分析,结果表明:该方法在地面能见度预报及雾层垂直结构预报上均好于实际探空作为初始场的单一预报结果;模式启动时刻对预报结果有较大影响,由于辐射雾多发生在夜间,且模式需要一定时间达到稳定,本方法中一维模式在14:00启动预报效果最好,集合预报成员与实测值的标准差平均值为0.516 km,集合平均值的平均预报绝对误差为0.287 km。     

台风路径集合预报试验

基于T63L9模式,利用BGM法进行了台风路径的集合预报试验,并对集合预报中的一个关键技术—繁殖长度进行了研究。结果表明:相对于控制预报,利用增长模繁殖法制作的集合预报对台风路径预报的技巧水平有了很大提高。集合预报中采用不同的繁殖长度对台风路径预报效果有一定影响。繁殖长度取2 d和3 d集合预报效果相对于控制预报都有很大提高。繁殖长度取为2 d时,集合离散度较小,取为3 d时较合理,取为4 d时,离散度较大。对台风路径的预报采用集合选择平均后,繁殖2 d和繁殖3 d的集合预报系统的预报效果都优于控制预报。从综合集合预报效果分析,繁殖长度取为3 d更合适。当集合预报中繁殖长度取为3 d时,在预报的前3天,台风路径集合预报误差基本维持在100 km,第4天误差也只接近300 km。相对于控制预报,集合预报的改进率在预报的2～4 d基本超过了60%,甚至可达到70%。     

中短期天气集合预报问题

集合预报从上个世纪九十年代兴起 ,目前已成为许多业务预报中心的重要业务之一 ,同时也成为研究的重要工具。系统介绍了全球模式中短期天气预报集合、有限区域模式短期天气预报集合以及集合预报在强风暴预报中的应用等 ,并对集合预报中应当注意的问题进行了阐述。     

集合预报：预报新观念的25年

<正>中国学者熟悉的《英国皇家气象学会季刊》(QJRMS)2019年9月推出"集合预报25年"专题增刊,增刊的13篇文章较为深入地讨论了集合预报的方方面面,尤其是在数值天气预报成功运行了近70年,人类逐步完善解决用机器制作短期确定性天气预报科学问题的时候,为什么还要挖掘包括集合预报在内的新技术,从理念发展和面对预报科学问题给出更加完整的解决方案等角度,进     

集合预报简介

文中简述了集合预报的进展，对其中的扰动初值的生成与原理，和欧洲中期天气预报中心的集合预报产品作了介绍。     

重庆中尺度集合预报系统预报性能分析

本文利用2017年6～8月重庆中尺度集合预报系统逐日20时起报的预报资料及相应的观测资料对该系统的预报性能进行了综合分析,结果表明:500hPa位势高度、850hPa温度和2m温度的集合平均预报的均方根误差均优于控制预报,集合离散度均明显低于集合平均的均方根误差,Talagrand分布均呈现出“J型”或“U型”分布,500hPa位势高度和850hPa温度Outlier评分介于0.26～0.32,2m温度的Outlier评分普遍较高,总体介于0.33～0.67;降水预报方面,集合平均和概率匹配平均相对于控制预报表现出了较为明显的优势;小雨和中雨量级降水集合平均的TS评分明显优于概率匹配平均;大雨和暴雨量级的降水概率匹配平均的TS评分明显优于集合平均;0～24小时和24～48小时累计降水的Talagrand分布呈现出一定的“U型”分布且0～24小时更为明显,其余时效较为理想,Outlier评分随预报时效的延长而减小,最高0.31,最低0.20;降水概率预报检验方面,各个降水量级的Brier评分和相对作用特征技巧评分AROC均较为理想。总体而言,该系统相对于单一的确定性预报表现出了一定的优势。      

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。     

中期数值天气预报的集合预报试验

利用中国科学院大气物理研究所研制的Ｔ４２Ｌ９ 谱模式, 在中期数值预报领域中引入集合预报的概念和方法, 初始扰动场取为Ｔ４２Ｌ９ 谱模式２４ 小时预报误差的平均均方差乘随机数, 再综合利用蒙特卡洛预报（ ＭＣＦ） 和落后平均预报（ＬＡＦ） 两种方法作集合预报试验, 试验结果表明： 各成员预报的等权平均或不等权平均的集合预报明显优于单一的控制预报; 不等权平均与等权平均的集合预报结果相比较, 不等权平均的集合预报优势较明显; 在不等权平均的集合预报中, 区域性不等权平均又比全球性不等权平均的预报稍好。     

长江中下游地区梅雨期降水的集合预报试验

本文利用MM5模式,通过改变模式的积云参数化方案、边界层过程和云微物理方案,构造了一个15个成员的集合预报系统,对2001年长江中下游地区梅雨期降水做了集合预报试验。试验表明,集合预报与决定预报相比,可以有效地提高梅雨降水的预报准确度;在不同分辨率条件下集合预报相对于决定预报的提高程度是不同的,分辨率越低,集合预报的价值越大。尽管如此,集合预报还具有的内在缺陷是对小雨高估、大到暴雨低估。试验也揭示了,MM5模式本身对于降水有过分预报的倾向,粗网格模式配置对细网格内降水产生重大影响。     

集合数值预报方法在山洪预报中的初步应用

选取湖南4个典型山洪个例,分析了嵌套模式不同分辨率的预报效果,并采用多物理过程组合的集合预报方法,研究区域集合数值预报技术在山洪预报中的应用。研究指出,单一模式条件下,使用模式嵌套技术提高分辨率,并不能有效地改进对引发山洪灾害的突发强降水过程的预报能力,且这种单一的确定性预报,对暴雨等灾害性天气的预报存在不确定性。集合预报是解决单一预报不确定性提出的新方法,与单一模式提供的确定性预报结果相比,集合预报可为山洪预报提供多种定量预报产品。利用集合平均预报、极值预报,可以引导对山洪采取分类应对措施;集合预报在给出降水分布的同时,还给出伴随预报结果的可信度;概率定量降水预报(PQPF)与水文预报模型结合,可以用于概率水文预报。     

AREM短期集合预报系统及其降水预报检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值和侧边界条件的不确定性,采用BGM方案,建立有11个成员、37km分辨率、覆盖全国区域的短期集合预报系统,并将其于2009年汛期投入准业务化试验,进行了连续2个月的预报结果检验。结果表明:由于能提供更多预报信息,集合预报系统优于单一确定性预报,集合平均预报对评分的改进主要表现在暴雨以下量级,概率预报高于集合平均和控制预报,因而更具参考价值;利用多种集合产品对降水过程进行综合分析,能提高决策预报的科学性。     

两个集合预报系统对秦岭及周边降水预报性能对比

利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF)、美国大气环境预报中心 (NCEP) 集合预报系统 (EPS) 降水量预报资料,CMORPH (NOAA Climate Prediction Center Morphing Method) 卫星与全国3万个自动气象站降水量融合资料,基于技巧评分、ROC (relative operating characteristic) 分析等方法,对比两个集合预报系统对秦岭及周边地区的降水预报性能。结果表明:两个系统均能较好表现降水量的空间形态,对于不同量级降水,ECMWF集合预报系统0~240 h控制及扰动预报优于NCEP集合预报系统,但NCEP集合预报系统264~360 h预报时效整体表现更好; ECMWF集合预报系统0~120 h大雨集合平均优于NCEP集合预报系统,两个系统集合平均的预报技巧整体低于其控制及扰动成员预报,这种现象ECMWF集合预报系统表现更为显著; ECMWF集合预报系统降水预报概率优于NCEP集合预报系统。ROC分析显示,随着预报概率的增大,ECMWF集合预报系统在命中率略微下降的情况下,显著减小了空报率,NCEP集合预报系统则表现出高空报、高命中率。     

基于重组降水集合预报的洪水概率预报

采用条件亚正态模型方法,生成了具有包含不同可能性的降水集合预报。为了保持各子流域降水集合预报变量之间的空间相关性,采用集合预报重组方法对降水集合预报进行重新排列。使用重组后的降水集合预报驱动水文模型,实现了淮河上游大坡岭-息县、淮河上游息县-王家坝和汝河-洪河上游3个子流域的12次洪水过程的洪水概率预报,并对1988年9月7日和1991年7月31日两次洪水概率预报进行个例分析。结果表明:相对于单一确定性预报,通过条件亚正态分布模型生成降水集合预报后,再经过Schaake洗牌法空间相关性重新组合的降水集合预报,捕捉洪峰出现时间和流量的能力更强。对洪水概率预报来说,降水概率预报更能达到对未来的水文事件进行最大可能估计的目的,并尽可能综合了降水预报不确定性因素,同时也说明维持变量原有的空间相关特征对于降水概率预报具有重要意义。