降水概率预报综述

为了配合概率预报发布工作，收集了国内外开展概率预报的各种文献与报导，就降水概率预报的定义，发布降水概率预报的意义，国内外降水概率预报的研究与业务应用，降水概率预报的基本方法，主观预报在客观降水概率预报中的作用，降水概率预报的经济效益评估等几个重要问题，进行了综合评述。     

北京地区夏季降水概率预报业务应用研究

作者分析了降水概率预报的基本特征，在北京中尺度数值预报模式（ＢＭＮＦＭ）的基础上应用事件概率回归估计（ＲＥＥＰ）方法，建立北京地区夏季两个量级（≥０．１ｍｍ和≥１０．０ｍｍ）的降水概率预报方程，并结合最新天气观测资料和预报员知识订正客观预报结果。应用Ｂ评分，Ｂｓ评分和Ｂｉａｓ方法对主观降水概率预报和客观降水概率预报进行评估。     

北京降水概率预报业务试验

在数值模式输出产品和实时天气资料分析的基础上,应用统计分析方法建立北京地区两个降水级别（分别为≥0.1 mm和≥10.0 mm）的客观降水概率预报方程,并制作主观降水概率预报。同时分析概率预报的经济价值,最后对主客观预报结果进行比较及质量评估,给出预报概率值与实际观测相对频率的关系。     

美国国家天气局预报质量的趋势

本文描述了美国国家天气局(NWS)1967-1985年预报质量趋势的研究结果。主要针对降水概率预报和最高最低温度预报。从诸方面考察了数值-统计预报模式作出的客观预报和NWS预报员做出的主观预报的趋势。除了气象要素、预报类型和验证方法外,还按季节(冷和暖)、提前时间(三或四个时段)以及NWS划分的区域(四个区域和它们的组合)区分预报结果。在国家级预报中,这三种气象要素的预报几乎在所有层次上质量都表现出明显的正趋势。只是最低温度预报对这个一般结果说是例外,主要是对60小时的提前预报。国家级趋势一般是客观预报比主观预报明显,冷季比暖季明显。至于地区级,预报质量趋势几乎都是正的,而且对大多数个例,在统计上是显著的。然而,发展趋势不明显的情况出现于区域级比出现于国家级更频繁。表现为正趋势的结果说明气象要素天气预报的现有水平明显地高于15-20年前的水平。     

基于神经网络和地理信息的华东及华南地区降水概率预报

基于欧洲中期天气预报中心(the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)2015年2月8日—2016年12月31日中国华东及华南地区24～168 h预报时效的逐日24 h累积降水集合预报资料,利用前馈神经网络建立NN(Neutral Network)模型及NN-GI(Neutral Network-Geographic Information)模型进行概率预报试验,并对两个模型输出的概率预报结果进行评估。结果表明,经NN模型和NN-GI模型订正后,降水概率预报结果得到明显改进,在168 h预报时效时,降水概率预报的CRPS值与原始集合预报相比分别下降了约16.00%、21.27%。与NN模型相比,NN-GI模型由于考虑到各格点的地理信息差异,在区域内预报技巧整体改进更优。这表明,在利用机器学习方法改进降水预报时,在模型中加入各个格点的地理信息非常重要。     

短时强降水概率预报的多模式集成技术研究

利用2018年4—8月格点降水分析资料和4个业务高分辨率区域模式降水预报资料,应用分位数频率匹配法对模式1 h降水预报分别订正;基于上游关键区域的检验结果,采用动态权重多模式集成技术,探讨了多模式集成技术在短时强降水概率预报中的应用前景。结果表明:分位数频率匹配法对强降水预报改进具有正效果,可以减少模式的系统性偏差,提高模式降水预报的准确率。在短时临近时效内,上游关键区域降水信息对下游地区降水预报具有指示意义,基于上游关键区实况检验的动态权重多模式降水概率预报较简单集成概率具有更高的预报准确率,预报效果也更为稳定。个例分析也表明该技术对短时临近时效内的短时强降水预报预警有较好的指导作用。     

T106产品夏季降水概率预报自动化系统

利用１０６格点场资料,构造能反映本地天气动力学牲的组合预报因子,对预报时效场进行叠加处理,对预报着急区格点资料取其均值或极值。预报因子和预报量均采用非线性０、１化自理。用最优子集回归建立降水预报方程用多因子概率权重回归其降水概率。系统从资料采集到输出概率结果在５８６以上微机上实现全自动化,预报结果客观、定量。     

ECMWF极端天气指数在华东台风 降水预报中的应用和检验

选取2015—2018年影响华东地区的13个台风个例,分析降水极端天气指数EFI (Extreme Forecast Index)和SOT (Shift of Tails)与台风降水之间的统计关系。结果表明:EFI和SOT与降水气候百分位之间存在明显的正相关关系。EFI和SOT越大,强降水发生概率越高。随着预报时效的增加,EFI和SOT指数对暴雨和大暴雨的预报效果逐渐变差。对于短期(72 h以内的时效),EFI预报技巧优于SOT,而随着预报时效的延长,SOT的预报技巧逐渐接近并超过EFI。以TS评分最大为标准兼顾合理的预报偏差,得到两种极端天气指数不同预报时效、不同等级暴雨的预报阈值。总体而言,事件越极端,EFI和SOT的预报阈值越大,对于暴雨和大暴雨,EFI指数的预报阈值随着预报时效的延长有减小趋势,而SOT的预报阈值基本保持不变。在台风极端降水预报中,EFI和SOT可以作为EC定量降水预报的补充,有助于减少强降水的漏报,并提早发出预警信息。     

国家级格点化定量降水预报系统

利用主客观融合降水反演、降水统计降尺度、降水时间拆分等技术构建了国家级格点化定量降水预报系统。该系统结构合理,模块功能明确,于2014年6月在国家气象中心投入业务使用,生成0~168 h时效,10 km分辨率,逐3 h的格点化定量降水预报产品。通过对2015年第13号热带气旋苏迪罗的格点化降水预报个例检验,结果显示,相比欧洲中期数值预报中心的确定性模式预报和预报员主观预报,该产品能更好地体现台风降水的时空精细化分布特点,对福建东北部和浙江东南部的特大暴雨中心位置表现更准确细致。通过对2015年4—9月的格点化产品整体效果检验,结果显示,相比欧洲中期数值预报中心的确定性模式预报和由反距离客观分析后的预报员主观预报,该产品既能保持和预报员主观预报相同的准确率,同时也能较明显地提高降水预报的时空精细化程度。     

基于评分最优化的模式降水预报订正算法对比

使用2013年1月1日-2016年1月7日全国气象站观测资料,应用准对称混合滑动训练期,不改变雨带预报位置和形态,基于模式降水预报订正结果的TS评分最优化及ETS评分最优化,分别设计最优TS评分订正法（OTS）和最优ETS评分订正法（OETS）确定预报日各级降水订正系数,对2014-2015年降水数值预报进行分级订正,并与频率匹配法（FM）对比。结果表明:在24 h累积降水的多个预报时效订正中,无论是对欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、美国国家环境预报中心和中国气象局的全球模式降水预报,还是对4个模式的简单多模式平均,OTS和OETS较FM在TS评分和ETS评分等传统降水检验指标上均更优秀,其中OTS在所有时效均能提高模式降水预报质量,为三者最优。在概率空间的稳定公平误差评分方面,OTS在各时效、各单模式及多模式平均等方面优势明显。在预报员对应参考时效上,OTS在24~168 h的24 h累积降水预报中的TS评分也优于主观预报。     

基于T639集合预报的持续性强降水中期客观预报技术研究

针对持续性强降水预报困难的问题,根据Anderson-Darling检验原理,构建基于中国气象局T639集合预报系统的持续性强降水中期客观预报方法。对比分析2010-2015年5-9月T639集合预报降水与实况降水的累积概率分布函数差异,在此基础上采用扩展时间序列和空间范围的方法构建3种模式气候累积概率方案,通过批量预报试验和检验,选取最优概率方案纳入预报模型,考察持续性强降水个例的最长预报时间。结果表明,随着预报时效的延长,集合预报模式的降水逐渐集中于小和中雨量级,无降水和暴雨以上量级的降水概率低于观测,168 h以后模式降水概率趋于稳定。通过扩展时间序列和空间范围能弥补模式气候资料年限不足所带来的偏差,根据区域气候特征细分模式气候的方法重点突出了不同区域的降水特征,明显优于简单集合所有区域数据的模式气候方案。基于集合预报的持续性强降水预报模型对持续性强降水个例的预报能力为8-9 d,随着预报时效的延长,降水强度以及雨带位置的预报能力逐渐减弱。      

用T 213产品作汛期短期降水定点预报

以T 213数值预报产品资料为基础,根据影响来宾市降水系统的天气动力学特征及日常预报经验,从产生降水的水汽条件、上升运动条件和不稳定条件三要素入手,选取或构造与降水密切相关且反映大气动力过程的众多物理量,如反映中低层水汽输送的R h850×W p850+R h700×W p700,反映中低层动力结构的V or700-D iv850,反映桂中地区是否存在850hPa风切变线的26oN与23oN东西风分量差值等数十个因子,采取以周围九点均值作为预报点资料,对预报时效场进行叠加处理,以及计算机自动和人工划分相结合方法进行预报因子和预报对象0、1化等方法进行技术处理,挑选3~5个最佳预报因子,以国外应用较多的天气事件概率回归法(R eep法)来建立来宾市逐站、逐月的客观降水自动化预报系统。系统完成后,于2004年4月投入业务试运行,在为期两月的预报试运行中,无论是晴雨预报还是大雨降水预报,系统客观预报水平均比预报员主观预报水平要高出7个点以上。因此,系统对预报员有较明显的指导意义,具有良好的预报前景。     

GRAPES_TCM模式对影响浙江省热带气旋的降水预报评估

基于2006-2009年有热带气旋影响浙江省期间气象站(包括自动站)资料及上海台风研究所的GRAPES_TCM模式输出降水资料,应用TS和BS评分方法,对模式在浙江省的热带气旋降水预报能力进行了评估.结果表明模式晴雨准确率和小雨TS评分24 h和36 h预报相对高,48 h开始随预报时效逐渐下降,中雨、大雨和暴雨TS评分随时效变化趋势不明显,而大暴雨TS评分有较大的随机性.漏报是影响小雨和中雨TS评分的主要原因,空、漏报对大雨和暴雨TS评分的影响基本相同,空报是影响大暴雨TS评分的主要原因.相同预报时效的TS评分随降水等级的提高而减小.BS评分发现模式对大雨及以下量级降水预报站次比实际偏少,对暴雨预报相对接近实际出现站次,对70 mm以上的大暴雨模式有过度预报倾向.与宁波市气象台主观预报比较,对晴雨和小雨预报,相同时效的主观预报一般高于客观,主观暴雨预报TS评分比客观预报一般高出30％以上.GRAPES_TCM模式对于影响程度高的TC降水预报能力相对高.20时输出预报与08时相比,对于晴雨和小雨预报,48 h以内差异不大,而60 h和72 h预报准确率,20时明显高于08时.对于中雨及以上等级降水,20时预报TS评分一般比08时好,主要得益于漏报率的降低.     

降水分站预报客观集成方法研究及检验分析

本文利用吉林省气象台主观降水预报结果和现有的几种客观降水预报结果,通过给以一定的权重系数的方式,采用加权平均法,分别进行了客观预报的集成和主客观预报的集成 ,力求集中各预报方法的优势 ,得出一个更为客观的降水集成预报结果,并对这两种预报结果的使用价值进行了全面的检验 ,结果证明有一定的参考价值。     

基于模式先验信息的贝叶斯集合降水概率预报试验

为了更好地利用降水预报历史先验概率分布函数信息修订集合概率预报效果,基于贝叶斯原理和贝叶斯降水概率预报模型,分别使用1952—2007年历史观测资料和2009—2011年6月24~120 h中国T213全球集合预报历史资料作为先验信息,对中国不同气候区代表站（广州、南京、武汉和成都）建立贝叶斯降水概率预报模型,对比不同先验信息下集合成员与集成贝叶斯降水概率预报拟合结果差异,分析先验信息对贝叶斯降水概率预报模型的影响,在此基础上,采用模式先验信息的贝叶斯降水概率预报模型,进行2008年6月降水概率预报试验。试验结果表明,由T213集合预报产生的先验信息较历史观测资料产生的先验信息更优,当先验信息的降水概率分布函数曲率最大处偏向降水大值区时,贝叶斯模型的降水预报结果也偏向降水大值区,反之亦然。结果还显示,先验信息对贝叶斯降水概率预报模型有重要影响,若先验信息偏向更多更大降水量时,贝叶斯降水概率预报对有降水的预报更优,若降水先验信息偏向更少更小降水量时,对无雨或微量降水预报效果越好。     

美国天气预报质量趋势

过去15-20年来,国家天气局(NWS)要素预报的发展趋势是,降水概率预报和最高最低温度预报的质量现在明显地高于前期.例如冷(暖)季12-24小时主观公共预报的技术评分,已由1967-1968(1967)年的38%(24%)提高到1984-1985(1984)年的48%(34%)左右.其它主观预报时效和三种客观公共预报的时效,在技术评分上也有类似提高.此外,现在的24-36(36-48)小时公共预报其熟练程度和60年代后期的12-24(24-36)小时公共预报是一样的.     

基于ECMWF模式的四川夏季强降水订正试验

利用2016—2018年6—8月四川地面观测降水资料(含加密自动站)及同时段ECMWF模式各要素预报场资料,根据基于"配料法"计算所得出的3 h间隔短时强降水概率预报,统计各格点各个转换概率阈值的次数,探索了一种针对模式24 h累计降水预报的强降水订正方法,并运用该方法对2018年6—8月降水集中时段24—72 h时效ECMWF模式降水预报进行逐日试验检验。试验结果表明:(1)从大雨、暴雨降水量级综合检验指标来看,各时效订正后命中率、漏报率、TS评分均有明显改善,且随着预报时效的延长,各指标数值提高的幅度愈大。空报率虽然0—24 h、24—48 h时效预报有所增加,但空报率增加幅度远小于漏报率减小幅度;(2)从个例检验结果来看,订正后的模式预报相比订正前的预报而言,降水量级明显增加,50 mm以上降水落区预报效果有较大程度提升,尤其是0—24 h时效预报,订正后降水落区分布与实况基本一致。     

分县逐日滚动MOS预报模式研制及其应用

本文介绍了江苏分县逐日滚动1－5天时效的MOS预报的研制，包括降水的概率MOS法和量级MOS法，预报量设置、季节分型和样本选择，因子的构造及其加工，概率统计模型的选择及其因子预选、筛选。最后介绍了MOS工具在省台MICAPS平台上的业务应用及其效果。     

四种定量降水预报客观订正方法对比研究

基于2019年全年、不同季节、不同预报时效的欧洲中期天气预报中心模式的定量降水预报,检验评估了频率匹配、最优TS评分、最优百分位、概率匹配4种定量降水预报客观订正法的综合性能.利用理想模型研究了不同雨带位移偏差和干湿偏差情形下频率匹配法与最优TS评分的表现,并通过个例订正展示了4种定量降水预报订正法的基本特征.结果表明...     

中国东南地区复杂地形下降水概率预报的订正研究

使用TIGGE (the THORPEX interactive grand global ensemble)资料集下欧洲中期天气预报中心(the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)逐日起报的预报时效为24～168 h的日降水量集合预报资料,集合预报共包括51个成员,利用左删失的非齐次Logistic回归方法(left-Censored Non-homogeneous Logistic Regression,CNLR)和标准化的模式后处理方法(Standardized Anomaly Model Output Statistics,SAMOS)对具有复杂地形的中国东南部地区降水预报进行统计后处理。结果表明:采用CNLR方法能够有效改进原始集合预报的平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和连续分级概率评分(Continuous Ranked Probability Score,CRPS),提升了降水的定量预报和概率预报的预报技巧。而使用SAMOS方法对数据进行预处理,考虑地形等因素的影响,能在CNLR方法的基础上进一步订正由于地形影响造成的预报误差,并得到更加准确的全概率的降水概率预报。