数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用 I. 初始场滤波的作用

本工作将数字滤波方法用于T42L9谱模式的月预报实验。为了去除高频扰动误差的影响，保留对月预报有意义且可预报性较强的低频过程，用滤波器对观测资料的序列进行处理，得到10天以上的低频分量作为初始场进行预报。结果说明，与不进行滤波的控制实验相比，误差增长明显减慢，预报效果在10～20天时段内提高最显著。进一步分析表明，延伸预报效果随时间的变化主要是由其中低频分量的预报效果决定的。初始场滤波后预报效果的提高也主要是由于其低频分量报得更好，而在此低频背景下新产生出来的高频扰动误差也相应较小，因而总体的预报效果好于控制实验。而如果在控制实验预报后提取低频分量进行检验，则对逐日预报的改进不明显。经过初始场滤波后对1～10天至1～30天平均场的预报也有较显著的提高。对旬平均预报改进最大的是在第二个10天。对500 hPa环流形势的预报也更接近实际。本工作的结果说明，在中长期预报中如果能用适当的方法提取出低频过程的信息，则可望提高预报水平。     

1998年夏季长江中下游地区大气多尺度振荡的区域气候模拟

利用区域气候模式RegCM3对1998年夏季东亚区域气候进行了季节尺度模拟,并通过小波分解方法对长江中下游地区观测和模拟的气象要素进行多尺度分析,旨在研究区域气候模式对长江中下游地区夏季大气多尺度振荡的模拟能力。结果表明：模式对降水低频振荡的模拟要优于对其它振荡周期的模拟,而对降水高频振荡和天气尺度周期振荡的描述能力相对较弱。模式对整个对流层温度模拟偏低,且主要表现在对低频温度模拟偏低。对流层下层温度模拟误差主要是由对高频温度振荡的模拟误差造成的,对流层上层温度模拟误差主要是低频温度振荡的模拟误差造成的。由于高频温度所占方差贡献很小,因此,提高模式对整层大气低频温度变化的模拟能力显得更为重要,但总体上各种时间尺度温度振荡和梅雨期降水振荡之间并不存在对应关系。除涡度的8天周期振荡外,涡度的其它周期振荡和降水振荡之间具有较好的对应关系,梅雨降水集中期主要与16天以上涡度低频振荡和4天以下涡度高频振荡相对应,涡度天气尺度周期振荡对梅雨期降水的贡献不大。涡度振荡分量周期越长,其模拟与观测之间相关系数的垂直变化就越大,且不论周期长短,涡度各周期分量方差贡献的大小都基本相同。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用Ⅰ.初始场滤波的作用

本工作将数字滤波方法用于Ｔ４２Ｌ９谱模式的月预报实验。为了去除高频扰动误差的影响，保留对月预报有意义且可预报性较强的低频过程，用滤波器对观测资料的序列进行处理，得到１０天以上的低频分量作为初始场进行预报。结果说明，与不进行滤波的控制实验相比，误差增长明显减慢，预报效果在１０～２０天时段内提高最显著。进一步分析表明，延伸预报效果随时间的变化主要是由其中低频分量的预报效果决定的。初始场滤波后预报效果的提高也主要是由于其低频分量报得更好，而在此低频背景下新产生出来的高频扰动误差也相应较小，因而总体的预报效果好于控制实验。而如果在控制实验预报后提取低频分量进行检验，则对逐日预报的改进不明显。经过初始场滤波后对１～１０天至１～３０天平均场的预报也有较显著的提高。对旬平均预报改进最大的是在第二个１０天。对５００ｈＰａ环流形势的预报也更接近实际。本工作的结果说明，在中长期预报中如果能用适当的方法提取出低频过程的信息，则可望提高预报水平     

DERF产品在贵州降水主分量逐步回归预报模型中的释用

从短期气候预测业务面临的实际问题出发,针对月尺度气候预测,通过多元逐步回归统计方法对1981~2010年贵州省降水主分量与NCEP/NCAR再分析资料的500 h Pa高度场建立预报模型,进而将该预报模型分别应用到2007~2013年5月16日、21日、26日起报的DERF产品500 h Pa高度场中,以检验不同起报时间DERF产品的预报能力。结果表明:贵州83站6月降水量EOF前5个模态的方差累积贡献率均达到了65%以上,PC1与同期6月降水量标准化序列的相关系数达0.955。贵州6月降水量与副热带高压位置以及中高纬度大气环流密切相关。释用DERF产品发现,该产品对贵州6月降水主分量具有一定的可预报性,其中5月26日起报的预报效果较好,其与同期NCEP/NCAR拟合值和实况值的相关系数分别为0.76和0.53。对2007~2013年5月26日起报6月的DERF产品释用预报结果进行Acc和Ps评分检验,发现除2008年预报评分较低外,其余6 a预报评分较好,Acc平均为0.45,Ps平均为82.0,尤其是2007年和2009年DERF产品释用的预报Ps评分分别达83.9和83.5,表明DERF产品在贵州降水主分量逐步回归预报模型中的释用具有较好的预报能力。     

月动力延伸预测产品DERF2.0对广西气温和降水的预测评估

基于国家气候中心第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)开展的1983~2015年的回报试验结果和广西87个台站气象资料,利用距平相关系数ACC、距平符号一致率R和短期气候预测业务趋势异常综合评分(Ps)等3种方法,综合评估了DERF2.0系统对广西的气温和降水的预测性能。结果表明:DERF2.0模式对广西月气温的总体预测效果优于降水,气温与降水的预测效果有明显的月季变化,气温和降水在夏季的总体预报效果不好,但对降水异常的把握程度较高。DERF2.0对广西发生在1994、1996、1998、2005年6、7月的典型洪涝个例有一定的预测能力,影响模式6、7月降水预报误差的原因可能是模式对中高纬度阻塞系统预报偏差,模式仍有很大的改进空间。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用 II. 保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于T42L9全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实验，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有较显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如10 d以上周期）。最显著的改进是在第2旬。冬季个例经过滤波的初始场在第2旬对北太平洋阻塞形势的预报能力有较明显提高。     

月动力延伸预测模式业务系统DERF2.0对中国气温和降水的预测性能评估

基于国家气候中心第二代月动力延伸预测模式业务系统（DERF2.0）开展的1982～2010 年的回报试验结果和国家气象信息中心提供的669 个台站气象观测资料,利用距平相关系数ACC、平均方差技巧评分MSSS、距平符号一致率R 和短期气候预测业务分级检验Pg 等4 种方法综合评估了DERF2.0 系统对中国的气温和降水的预测性能。结果表明,DERF2.0 模式对气温的总体预测效果较好,对气温的预测性能较DERF1.0 模式有了较明显的提升。与过去全国的短期气候预测业务评分相比,DERF2.0 对气温和降水的预测都有所提高。与气温相比,DERF2.0对降水的预测性能相对较差,对降水的预测水平与DERF1.0 相接近。DERF2.0 对发生在1998 年和2006 年的极端旱、涝个例年也有一定的预测能力,且对气温的预测明显好于降水。从空间上来看,DERF2.0 在西南地区的确定性预测效果较差,模式仍然有很大的改进空间。     

基于低频振荡信号的中国南方冬半年持续性低温指数延伸期预报试验

利用1961-2009年36°N以南、108°E以东中国大陆191个站点逐日最低气温和NCEP/NCAR再分析日平均格点,研究与区域持续性低温事件有关的大气低频振荡信号,寻找可以在一定程度上表征不同类型区域持续性低温事件的指数,并尝试结合DERF2.0系统的预报产品进行持续性低温指数的延伸期预报试验。结果表明:（1）在研究范围内的区域持续性低温事件可以归纳为江北型、江南型和全区域型3类,其中江北型和江南型事件的环流背景差异体现在异常环流中心的纬度位置上,而全区域型事件属于增强型的江北型事件;（2）江北型和江南型区域平均最低气温时间序列的10-30 d低频分量的位相和强度变化与区域持续性低温事件的发生有显著关系,可以作为表征区域持续性低温事件指数和预报量;（3）100°-120°E范围内850 hPa温度场距平的经验正交函数分解前两个主模态具有显著的10-30 d变化周期,并且其空间结构分别与江北型和江南型事件的典型环流特征一致,前两个主模态时间系数能够作为持续性低温指数的预报因子;（4）检验结果表明,DERF2.0系统对上述预报因子有一定的预报能力。在延伸期预报时效内,利用统计学和动力学相结合的方法制作的持续性低温指数的预报效果好于模式直接预报的2 m气温,该预报方法有助于提升区域持续性低温事件的延伸预报能力。      

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用：II.保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实例，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如１０ｄ以上     

广西一次持续性暴雨过程的延伸期预报及模式应用检验

2019年5月25—30日广西出现了持续性暴雨过程,引发洪涝和衍生灾害。利用国家气候中心大气监测资料和第二代月动力延伸预测模式业务系统(DERF2.0)预报资料,研究了这次持续性暴雨的背景特征,并对这次暴雨过程的延伸期预报效果进行评估。结果表明:(1)此次持续性暴雨发生在一次MJO对流活跃区东传的背景下。(2)DERF2.0模式提前10-30d预报出广西5月第6侯降雨偏多的趋势,并在4月30日、5月10日分别预测出这次暴雨过程出现前后有强降雨,但有1-3d的误差,且对过程强度的预测不够精准。     

NCEP/CFS模式对东亚夏季延伸预报的检验评估

利用NCEP的气候预报系统(C1imate Forecast System,CFS)所提供的1981-2004年历史回报试验结果,检验和评估了该系统对夏季东亚地区大气环流的预报技巧和系统误差;在此基础卜通过提取模式预报和观测的10～20 d及30～60 d低频振荡分量,重点对我国南方3次典型持续性暴雨过程的预报技巧进行检验和诊断分析.结果表明:CFS系统对东亚整体大气环流逐日预报的可靠时效为5 d左右,60°N以北的对流层中高层高度场预报系统性偏低,而在40°～60°N则为系统性偏高.系统性误差随预报时间的延长而增加,但10 d以上预报的系统性误差大小和空间分布逐渐趋于稳定;CFS系统对低频分量的延伸期预报技巧好于对其整体大气环流的预报技巧,并且在典型持续性暴雨过程中,CFS系统对影响强降水过程的主要环流系统低频振荡特征有一定预报能力.     

集合预报在渤海极大风预报中的应用

利用2015年2月至2018年2月地面气象常规观测中逐小时极大风及欧洲中期天气预报中心集合预报中6 h极大风预报数据,选取渤海海域代表站点,对集合预报极大风产品进行预报误差特征分析。分析表明:集合预报极大风产品的离散度明显偏小于均方根误差,各个预报成员的预报结果集中与否并不能反映出预报可信度。受模式预报能力所限,无法简单通过集合预报选取出最为可信的预报结果。集合平均、第75%分位值、最大值在极大风预报中各有优劣,因此基于以上三个统计量及不同量级风速发生的频率建立了渤海极大风预报客观订正方法,试验对比分析表明,该订正方法可以使极大风预报准确率有效的提高,为大风天气过程预报提供重要参考。     

GRAPES全球集合预报的集合卡尔曼变换初始扰动方案初步研究

初始扰动方案是集合预报研究的核心问题之一.文中根据最新提出的基于集合卡尔曼变换(ETKF)理论的集合初始扰动方案,利用模拟观测系统及其调整的观测误差与放大因子的方案,研究发展了针对中国GRAPES全球预报系统的集合初始扰动方案,建立了GRAPES全球集合预报系统.利用14个集合成员进行了近两个月的集合预报试验,重点研究了初始扰动的结构特征、扰动振幅以及扰动增长特征,分析了集合扰动初始场的质量与性能.初步试验结果表明,基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合初始扰动能够较好地反映分析误差方差的主要模态结构和扰动振幅,并具有比较合理的集合离散度.分析误差方差能够准确地反应模拟观测资料的空间分布特征.初始扰动方差近似等于预报误差方差,并对全球观测系统的空间变化具有准确的响应.集合扰动具有合适的增长率,在96 h的预报时效内可以有效地保持适当的集合离散度.52 d集合预报统计分析显示,北半球集合平均的预报质量评分相对于控制预报具有较明显的优势,副热带高压特征线的个例预报也表明GRAPES全球集合预报在短期预报时效内具有很好的预报效果.基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统显示出良好的发展前景和应用潜力.     

GRAPES区域集合预报模式的初值扰动增长特征

基于GRAPES-REPS（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System-Regional Ensemble Prediction System）区域集合预报模式和集合变换卡尔曼滤波（Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF）初值扰动方法,对2015年6月1~15日10 km与15 km水平分辨率分别进行集合预报试验,通过分析ETKF初值扰动分量、初值扰动方差准确率、动能谱、扰动能量演变、日变化及集合离散度、均方根误差等特征,揭示GRAPES-REPS区域集合预报ETKF初值扰动结构及增长特征。结果表明:（1）ETKF初值扰动方案产生的扰动能够保持所有正交、不相关方向的误差方差,且ETKF分量α参数值及放大因子具有较好的稳定性。（2）ETKF初值扰动方法生成的扰动场以大尺度扰动为主,扰动结构及能量具有随流型依赖特征,低层以内能扰动为主,高层以动能扰动为主,且集合扰动可以有效捕捉预报误差的结构。（3）GRAPES区域集合预报初值扰动总能量和集合离散度随预报时效的延长均呈发展趋势,但离散度增长率小于均方根误差增长率,即集合预报总体存在集合离散度不足的问题。（4）水平分辨率提高可以增加中高层大尺度扰动波谱能量,明显改进等压面及近地面风场及温度场的集合预报效果。值得指出的是,GRAPES-REPS区域集合预报低层内能扰动能量存在明显的日变化特征,特别是青藏高原地区更加显著,需要进一步研究青藏高原初值扰动结构的合理性。     

基于EMD 和集合预报技术的气候预测方法

气候系统是典型的非平稳性系统,然而对于气候观测数据的处理通常是在时间序列平稳的假定下完成的,比如气温和降水的多步预报,这通常会导致预报准确度较低。为改进该缺陷,首先将非平稳数据序列分解成平稳的、多尺度特征的本征模态函数分量(IMF),再使用数值集合预报与逐步回归分析相结合的方式对每一个IMF 分量构建不同的预报模型,最后线性拟合成预报结果。通过Visual Studio 2008 开发平台使用上述方法建立了一个短期气候预报系统,采用广西区88 个气象站1957—2005 年的2 月距平气温数据进行实际验证。结果表明,相对于普通预测和单一预测方法,加入了EMD 和集合预报技术的方法在仅用历史资料进行多步预测的情况下,对于气候的变化趋势以及突发性气候具有更好的预报能力。      

ECMWF高分辨率模式降水预报能力评估与误差分析

利用2015—2017年6—8月ECMWF高分辨率模式(ECMWF-Hi)的加工产品,结合我国2 400多个国家级气象站逐小时降水观测资料,对ECMWF-Hi产品24 h降水预报的准确度、集中度和相关性进行了评估,并与ECMWF集合预报模式(ECMWF-EPS) 24 h降水预报产品进行比较。为更好地描述预报的集中度,避免单纯用标准差比或平均值比刻画预报集中度的缺陷,建立一个综合标准差和平均值的R指数,用之定量描述模式预报的集中度。结果表明:(1) ECMWF-Hi在均方根误差的检验方面并未表现出优势;而分辨率较低的ECMWF-EPS集合平均预报误差最小。(2) ECMWF-Hi对研究区域降水预报的集中度的整体描述较为准确,离散度与观测较为相似,预报期望也与观测降水的期望最接近,ECMWF-Hi比ECMWF-EPS的集合控制预报与集合平均对观测降水集中度的刻画较为准确。(3)研究区域内各站点R指数分布表明,ECMWF-Hi与ECMWF-EPS控制预报、平均预报相比,对平均值预报不足的站点较多,且这些站点的预报集中度普遍大于观测,ECMWF-Hi的降水预报更接近观测降水。(4)评估应用结果表明,R指数不仅能定性评估模式的集中度,也可定量描述集中度大小。     

波流相互作用的大气系统中振荡模态的分析

把经验模态分解(EMD)方法用于波流相互作用的大气动力系统,对不同系统状态的流甬数解序列求其本征模态函数(IMF)分量,分析系统状态与IMF之间的关系,揭示流甬数的振荡结构.结果表明:随着系统的复杂性增大,构成解序列的IMF分量的个数相应增多.对于系统的定常态(Hadley流),每个流函数ψ分量的各个IMF分量都趋于零均值线;对于周期态(Rosssby流),ψ分量由1个周期性的高频IMF分量构成;对于振荡态,分量主要由2-3个较高频IMF分量构成;对于非周期流,ψ分量由多个非周期的IMF分量构成;对于周期-非周期状态,其本征模态有的有周期性,有的没有周期性.低频IMF分量表现ψ序列的长时间尺度的变化.     

基于CFSv2.0西南地区机场10-30天延伸期预报产品设计与实现

延伸期逐日预报对于民航属于新兴气象业务。针对民航运行服务需求,根据CFSv2.0气候模式预报产品,运用双线性站点插值技术,基于5天集合滑动平均和实况报文订正方案生成10-30天西南地区各机场延伸期逐日最高温度、最低温度、降水量和风向风速的时序柱状曲线预报产品。选取2020年冬季双流机场和贵阳机场明显的降温和降水过程进行预报效果检验,结果表明：机场延伸期逐日预报产品表现出较好的预报性能,能平均提前16天预报降温过程,提前20天预报降水过程。与实况数据相比,降温和降水预报的时段、强度略有偏差,但预报的变化趋势基本一致。     

观测误差对GRAPES区域集合预报影响的敏感性试验

通过设计3组不同的观测误差均方差,对2012年8月1日—29日进行了基于GRAPES-M EPS(Global/Regional Assimilation and Prediction System-Mesoscale Ensemble Prediction System)的集合预报敏感性试验,研究观测误差均方差对集合预报初始扰动场结构、扰动量及垂直扰动总能量发展的影响,评估集合预报结果的差异,并分析了一次典型的江淮流域强降水个例。结果显示,模式变量扰动结构和扰动振幅对观测误差均方差较敏感,较小的观测误差均方差使得温度和风等模式变量的初始扰动量增大,扰动总能量增长更快,降水集合预报效果更优。因此在GRAPES-MEPS中,可以考虑对观测误差均方差进行适当的扰动,以体现观测误差均方差的不确定性对集合预报的影响,提高GRAPES-MEPS的集合预报技巧。     

NCEP/CFS模式对东亚夏季延伸预报的检验评估

利用NCEP的气候预报系统（Climate Forecast System, CFS）所提供的1981—2004年历史回报试验结果,检验和评估了该系统对夏季东亚地区大气环流的预报技巧和系统误差;在此基础上通过提取模式预报和观测的10~20 d及30~60 d低频振荡分量,重点对我国南方3次典型持续性暴雨过程的预报技巧进行检验和诊断分析。结果表明:CFS系统对东亚整体大气环流逐日预报的可靠时效为5 d左右,60°N以北的对流层中高层高度场预报系统性偏低,而在40°~60°N则为系统性偏高。系统性误差随预报时间的延长而增加,但10 d以上预报的系统性误差大小和空间分布逐渐趋于稳定;CFS系统对低频分量的延伸期预报技巧好于对其整体大气环流的预报技巧,并且在典型持续性暴雨过程中,CFS系统对影响强降水过程的主要环流系统低频振荡特征有一定预报能力。