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。     

基于集合降水预报产品的汛期洪水预报试验

为改善因水文模型中降水等输入信息的不确定性对确定性水文预报精度的严重影响,以湖北省漳河流域为例,将中尺度暴雨数值模式(AREM)集合降水预报产品输入到新安江水文模型中,对该流域2008年汛期一次典型的洪水过程进行预报测试。结果表明:基于集合数值预报产品的水文预报能在洪峰流量、峰现时间等水文预报要素上获取更多的预报信息,并将单一的确定性预报结果转化为可能发生范围的预报,提高了水文预报结果的可靠性。     

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。     

基于集合预报的异常温度预报产品在中国的应用分析

基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代全球再分析资料(ERA5)构建模式气候,应用ECMWF集合预报,采用“集合预报标准化异常预报法”,针对最高和最低气温构建中国地区集合平均异常温度预报和异常温度概率预报产品,并与极端预报指数(extreme forecast index,EFI)开展检验和对比分析预报性能,并基于“异常温度影响矩阵”,构建了异常温度影响程度预报指数,通过异常温度事件个例探讨相关产品的预报应用。结果表明:基于ECMWF的ERA5和集合预报构建的集合平均异常温度预报产品对我国夏季和冬季异常温度事件均有比较好的预报效果,预报性能好于或接近EFI,可作为业务上对异常温度事件预报的支撑产品。异常温度概率预报产品可以体现集合成员中的预报异常温度事件的信息,在中期预报时效对发现早期异常温度事件信号有优势,并可反映对异常天气预报的不确定性信息。异常温度影响程度预报指数结合了异常天气概率预报信息和异常程度预报信息,可对异常温度时间给出客观定量的预报结果,对一次异常低温事件的个例预报证明该指数有比较好的预报效果,对异常温度事件的预报和早期科学预警有一定指示意义和业务应用前景。     

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。     

欧洲中心集合预报在中国区域中期时效离散度预报技巧关系分析

预测数值模式对于中期天气预报能力是集合预报的重要应用之一。为研究集合预报在中国区域中期时效(96～360h)预报技巧的预测能力,本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)全球集合预报系统2007—2011年500 hPa高度场和850hPa温度场预报数据,采取两种不同的离散度-预报技巧关系表征方法进行对比分析,结果表明:(1)以均方根误差为表征的预报技巧(RMS_(ENS))和离散度(SP_(RMSE))表现出季节循环特征,即冬(夏)季值高(低),这是大气内在性质的表现。而以距平相关为表征的预报技巧(AC_(ENS))和离散度(SP_(AC))没有显著的内在季节变化特征。(2)对比分析两种不同表征的离散度-预报技巧关系可知,以距平相关为表征的离散度-预报技巧关系更能反映中期时效的预报技巧,且850 hPa温度场较500 hPa高度场二者的相关性更好。(3)定量分析离散度-预报技巧关系表明,小离散度情况下更能体现高的预报技巧,但这种关系从96～360 h样本百分比下降了20%左右,而在大离散度情况下离散度-预报技巧关系相对弱一些,且随预报时效的延长样本百分比没有显著的降低。(4)样本统计显示中期各时效SP_(RMSE)和SP_(AC)二者一致的样本占59%～66%,并没有显示较高的一致性特征。上述分析结果为集合预报在中期时效预报技巧预测方面提供定性和定量的参考。     

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     

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。     

气象水文耦合的洪水预报研究进展

从洪水预报中定量降水预报应用进展、面向洪水预报的流域水文模型研究进展、气象水文耦合预报不确定性研究进展三个方面系统介绍气象水文耦合的洪水预报研究进展。研究指出,融合预报员预报的格点化定量降水预报技术是提高面向洪水预报的流域降水预报精度的重要方法,中尺度集合预报技术是提升流域局地性强降水预报能力的主要途径;概念性与物理性相结合的分布式水文模型是面向洪水预报的流域水文模型发展方向;水文集合预报是考虑气象水文单向耦合预报不确定性有效解决技术,贝叶斯系列模型可为分析气象水文预报不确定性提供重要的借鉴意义。     

基于TIGGE资料的东亚地面气温预报的不一致性研究

基于TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、美国国家环境预报中心(NCEP)和中国气象局(CMA)3个集合预报系统的地面气温集合预报资料,运用跳跃指数研究了3个集合预报系统中东亚地面气温的控制预报及集合平均预报的不一致性。结果表明,各个集合预报系统地面气温预报的时间平均不一致性指数差异较大。ECM WF时间不一致性指数最小,NCEP次之,CM A最大。另外NCEP的控制预报、ECM WF的控制预报和集合平均预报,这三者的时间平均不一致性指数随预报时效延长而增加,且集合平均预报一致性优于控制预报。而对于CMA预报的不一致性,无论是控制预报还是集合平均预报总体上都稳定地保持在较高的水平。此外,ECMWF的地面气温冬(夏)季预报的不一致性相对较强(弱),且单点跳跃随预报时效延长变化不明显,而控制预报和集合平均预报的异号两点跳跃以及三点跳跃出现的频率总体上随预报时效延长略有增加。     

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...     

Preliminary Comparison of the CMA, ECMWF, NCEP, and JMA Ensemble Prediction Systems

Based on The Observing System Research and Predictability Experiment (THORPEX) Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE) dataset,using various verification methods,the performances of four typical ense...     

Early Flood Warning for Linyi Watershed by the GRAPES/XXT Model Using TIGGE Data

Early and effective flood warning is essential for reducing loss of life and economic damage.Three global ensemble weather prediction systems of the China Meteorological Administration (CMA),the Europe...     

以用户为导向的交互式预报系统及应用研究

基于近年来涌现的有关新一代气象预报系统发展的认识,本文提出用户导向的交互式预报系统的概念模型。新系统强调在用户信息分析的基础上,发展从用户出发再回到用户不断自我改善的预报流程。系统组成的关键模块包括：用户端风险决策动态需求分析模块、物理预测模块、用户目标量的降尺度模块,用户端专业耦合模块及用户风险决策模块。文中阐述了系统中各模块间的联系、用户端信息在系统中的反馈作用以及具体的“交互式”方式。以临沂地区水文用户为例,以引发洪涝的降水事件为预报对象,利用TIGGE全球超集合预报,初步构建了一个临沂水文用户导向的可能致洪降水交互式预报系统。这个具备迭代式自我完善功能的新型预报系统包含了汛期随时变化的用户决策信息、由前期影响雨量和当前水文条件决定的可变致洪降水阈值以及一个动态的用户端预报水平和不确定性评估模块。初步结果表明,结合用户端信息的预报优于未考虑用户信息的预报结果,从而更直接地帮助用户进行防汛决策。个例研究也为发展更完整的用户导向预报系统提供了参考。     

基于TIGGE资料的地面气温和降水的多模式集成预报

利用TIGGE资料集下中国气象局(CMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)和英国气象局(UKMO)5个中心集合预报结果,对多模式集成预报方法进行讨论。结果表明,多模式集成方法的预报效果优于单个中心的预报,但对于不同预报要素多模式集成方法的适用性存在差异。滑动训练期超级集合(R-SUP)对北半球地面气温的改进效果最优,但此方法对降水场的改进效果并不理想。在北半球中低纬24 h累积降水的回报试验中,消除偏差(BREM)的结果优于单个中心的预报,且此方法预报结果稳定。进一步利用滑动训练期消除偏差(R-BREM)集合平均对2008年1月中国南方极端雨雪冰冻过程进行多模式集成预报试验,结果表明,在固定误差范围内,R-BREM将中国南方大部分地区的地面气温预报时效由最优数值预报中心的96 h延长至192 h,且除个别时效外,小雨、中雨的TS评分得到明显提高。     

GRAPES-GEPS环流集合预报的分类释用方法研究与检验

集合预报在数值天气预报体系中具有重要地位，因此如何有效提取集合样本信息以提高集合预报技巧一直是一个重要课题。基于中国全球集合预报业务系统（GRAPES-GEPS）的500 hPa高度场集合资料开展对环流集合预报的分类释用方法研究，并对集合聚类预报结果进行了检验分析。通过在传统Ward聚类法中引入动态聚类的“手肘法”方案，发展了环流集合预报分类释用方法。针对该方法的个例分析表明，对于中国中东部地区环流集合预报的聚类释用方法能够有效地划分出最有可能发生的环流形势类型并提供发生概率。确定性预报综合检验结果显示，集合预报聚类结果中发生概率最高的集合大类相对于集合平均的预报技巧有明显提升，并随着预报时效的延长提升更明显。总体来看，通过集合预报的分类释用方法划分环流形势类型可以为天气预报提供参考依据，具有实际应用价值。      

Ensemble mean forecast skill and applications with the T213 ensemble prediction system

Ensemble forecasting has become the prevailing method in current operational weather forecasting. Although ensemble mean forecast skill has been studied for many ensemble prediction systems(EPSs) and different cases, theoretical analysis regarding ensemble mean forecast skill has rarely been investigated, especially quantitative analysis without any assumptions of ensemble members. This paper investigates fundamental questions about the ensemble mean, such as the advantage of the ensemble mean over individual members, the potential skill of the ensemble mean, and the skill gain of the ensemble mean with increasing ensemble size. The average error coefficient between each pair of ensemble members is the most important factor in ensemble mean forecast skill, which determines the mean-square error of ensemble mean forecasts and the skill gain with increasing ensemble size. More members are useful if the errors of the members have lower correlations with each other, and vice versa. The theoretical investigation in this study is verified by application with the T213 EPS. A typical EPS has an average error coefficient of between 0.5 and 0.8; the 15-member T213 EPS used here reaches a saturation degree of 95%(i.e., maximum 5% skill gain by adding new members with similar skill to the existing members) for 1–10-day lead time predictions, as far as the mean-square error is concerned.     

基于TIGGE多模式集合的24小时气温BMA 概率预报

利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)单中心集合预报系统(ECMWF、United Kingdom Meteorological Office、China Meteorological Administration和NCEP)以及由此所构成的多中心模式超级集合预报系统24小时地面日均气温预报,结合淮河流域地面观测率定贝叶斯模型平均(Bayesian model averaging,BMA)参数,从而建立地面日均气温BMA概率预报模型.由此针对淮河流域进行地面日均气温BMA概率预报及其检验与评估,结果表明BMA模型比原始集合预报效果好;单中心的BMA概率预报都有较好的预报效果,其中ECMWF最好.多中心模式超级集合比单中心BMA概率预报效果更好,采用可替换原则比普通的多中心模式超级集合BMA模型计算量小,且在上述BMA集合预报系统中效果最好.它与原始集合预报相比其平均绝对误差减少近7%,其连续等级概率评分提高近10%.基于采用可替换原则的多中心模式超级集合BMA概率预报,针对研究区域提出了极端高温预警方案,这对防范高温天气有着重要意义.     

Probabilistic Flood Prediction in the Upper Huaihe Catchment Using TIGGE Data

Based on the precipitation and temperature data obtained from THORPEX (The Observing System Research and Predictability Experiment) Interactive Grand Global Ensemble (TIGGE)-China Meteorological Administration (CMA) archiving center and the raingauge data,the three-layer variable infiltration capacity (VIC-3L) land surface model was employed to carry out probabilistic hydrological forecast experiments over the upper Huaihe River catchment from 20 July to 3 August 2008.The results show that the performance of the ensemble probabilistic prediction from each ensemble prediction system (EPS) is better than that of the deterministic prediction.Especially,the 72-h prediction has been improved obviously.The ensemble spread goes widely with increasing lead time and more observed discharge is bracketed in the 5th-99th quantile.The accuracy of river discharge prediction driven by the European Centre (EC)-EPS is higher than that driven by the CMA-EPS and the US National Centers for Environmental Prediction (NCEP)-EPS,and the grand-ensemble prediction is the best for hydrological prediction using the VIC model.With regard to Wangjiaba station,all predictions made with a single EPS are close to the observation between the 25th and 75th quantile.The onset of the flood ascending and the river discharge thresholds are predicted well,and so is the second rising limb.Nevertheless,the flood recession is not well predicted.