淮河流域不同时间尺度暴雨的多模式预报性能评估及洪水可预报性探讨

为了让数值预报产品能够在流域气象业务中达到最佳应用效果,从而为淮河防汛调度提供决策支持,利用2015—2017年6—8月EC、JMA、WRF、INCA四种数值模式降水预报产品,采用TS评分、空估率和漏估率等方法,分别评估四种模式对淮河流域24、12、6、3和1 h时间尺度暴雨的预报性能,并对比分析四种模式对各种时间尺度暴雨预报的可用时效。在此基础上,选取EC的24 h累积降水预报产品驱动分布式水文模型CREST,构建淮河上游的气象水文耦合洪水预报模型,并对2016年6—8月、2017年5—8月的实时运行结果进行评估,探讨了淮河流域洪水的可预报性。主要结论如下:(1)对于24、12h时间尺度的暴雨,EC预报性能最优、可用时效最长。当暴雨时间尺度缩短到6 h时,WRF的预报性能及可用时效均超越EC,当暴雨发生在3 h内时,WRF的优势更加明显。JMA对各个时间尺度暴雨的预报能力均最差。(2)在0～3 h预报时效内,EC和WRF均存在暴雨漏报率异常偏高、TS异常偏低的现象,其暴雨预报在临近预警中不具备参考价值。INCA则表现出在临近预报中的绝对优势,对1 h预报时效的暴雨预报TS评分为54%,可用时效为3 h。(3)EC、JMA和WRF对6、3 h时间尺度的暴雨预报性能存在明显的日变化特征。(4)淮河上游洪水预报的可用时效为108 h。     

新疆DOGRAFS_3km夏季预报试验与分析

为了提升新疆区域数值天气预报模式的精细化预报能力,基于目前业务应用的沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统(Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System,简称DOGRAFS),搭建了DOGRAFS_3 km运行系统,将2016年7月作为预报检验月份,对比分析了目前业务化运行的DOGRAFS_9 km与新搭建的DOGRAFS_3 km系统的短期、短临预报效果,并针对7月31日—8月2日的降水过程进行对比。结果表明:(1)3 km分辨率系统的地面温度、风基本气象要素的预报效果整体要优于9 km系统;(2)从不同层次上的位势高度、温度、风要素预报结果看,3 km系统在925、850、700、500 h Pa预报效果优于9 km系统,300 h Pa和200 h Pa略差于9 km系统;(3)降水检验看,3 km分辨率系统在降水时段、落区和量级等方面的效果均好于9 km系统,尤其是对中量和大量级降水的预报,3 km分辨率系统与9 km系统的降水预报能力均有限。(4)通过用加密自动站的降水量监测值检验分析得知,对于典型降水过程的的过程降水落区、24 h降水落区、以及6 h降水落区的预报,3 km分辨率系统的预报效果更好。综合2016年夏季代表月份的预报以及一次强降水过程的对比分析结果,DOGRAFS_3 km系统在夏季的整体预报性能优于DOGRAFS_9 km,推进DOGRAFS_3 km高分辨率系统建设尤为必要。     

CMA-BJ V2.0系统华北地区降水预报性能评估

利用CMA-BJ V2.0系统在2021年汛期(6—9月)华北地区预报的平均日降水量和24 h内逐时降水量,评估不同水平分辨率(3 km和9 km)在降水量、有效降水时次占比、降水强度、降水日变化等方面的预报性能。结果表明:9 km和3 km分辨率预报均可较好地反映降水量和落区,捕捉平均日降水量大于8 mm的降水区域分布特征,但降水量级的预报较观测偏大;对小时降水量和有效降水时次占比日变化的预报与观测基本一致,但对傍晚的峰值预报偏强,且多个时段空报,同时高估了小时降水量。与9 km分辨率预报相比,3 km分辨率预报对有效降水时次占比随累积降水量的变化趋势与观测更接近,对小时有效降水时次占比日变化、峰谷值出现时间的预报也与观测更接近。9 km分辨率预报对弱降水过程的预报能力更优,而3 km分辨率预报对强降水过程的预报能力更优。     

淮河流域汛期面雨量多模式预报检验评估

基于站点观测资料和四个数值模式预报资料,以2011—2012年汛期(6—8月)为例,评估四个模式对淮河流域15个子单元客观面雨量预报效果。这四个模式为欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,简称ECMWF)全球模式、日本气象厅(Japan Meteorological Agency,简称JMA)全球模式、安徽省气象台业务中尺度模式MM5(Mesoscale Model Version 5)和WRF(Weather ResearchForecasting)。15个子单元面雨量预报值采用网格算术平均法计算,面雨量实况值采用泰森多边形法计算。检验评估采用平均绝对误差、模糊评分、正确率以及TS评分。检验评估结果表明:1)ECMWF预报效果整体上优于其他模式,尤其是在小雨到大雨等级优势明显;JMA、MM5以及WRF的预报效果依次降低。2)各模式预报效果均表现出随降水等级(小雨、中雨、大雨、暴雨)增大而下降的趋势。3)随预报时效(24、48、72 h)延长,各模式预报效果逐渐下降。4)分析典型个例发现,ECMWF、JMA及WRF对于24 h预报时效的强、弱降水过程,预报效果存在较明显差异,对于强降水过程预报等级偏小;MM5对于强、弱过程预报等级均有所偏大。     

辽宁地区“8.16”特大暴雨过程数值预报产品检验

利用地面气象站和探空观测资料,对2013年8月16日辽宁地区特大暴雨过程数值模式预报的产品进行检验和对比分析,主要包括降水、500 h Pa位势高度场和副热带高压指数等。结果表明:一般性降水预报准确率T639模式整体优于EC模式,暴雨预报平均准确率EC模式略高于T639模式,T639模式和EC模式降水预报正负距平出现位置近似。多个数值模式对清原站主要降水时段(8月16日11—23时)的降水预报明显偏弱,WRF模式预报的全省3 h最大降水量远大于实况,T639模式和EC模式预报的降水量级均明显小于实况。EC模式和多模式集成72 h内降水落区与强降水中心位置的预报相对较稳定,过去15 d的滑动平均检验结果对降水预报具有一定的指示意义,72 h内EC模式的特征线预报一致性明显高于T639模式,对于辽宁省大部地区及上游高空槽附近EC模式降水预报的离散度小于T639模式。     

CMA-GD模式江西省智能网格预报区域2 m气温预报误差分析

利用2020年6月1日—2022年5月31日CMA GD模式2 m气温预报产品（预报时效为13—36 h）和同期江西省智能网格预报区域内地面站气温观测资料,计算气温预报准确率、平均误差和均方根误差,并统计分析其时空分布特征。结果表明： 1）模式预报准确率在不同月份、起报时次存在差异,暖季总体较高,冷季总体较低;暖季08时起报产品的月准确率总体高于20时,冷季反之;秋、冬季旬准确率分布更离散。模式预报产品其准确率明显低于中央气象台和江西省气象台订正产品,需订正后使用。08时起报产品对寒潮的预报效果优于20时。2）气温预报年误差分布存在日变化,最大值出现在08时,最小值出现在15时;年均方根误差峰值出现在15时和06时,白天大于夜间。3）冬季平均误差多为正值,夏季为负值,春、秋季平均误差大小界于冬、夏季之间;白天时段夏季均方根误差最大,夜间时段冬季最大。4）气温预报年误差地理分布特征明显,平原地区预报值偏低,年均方根误差最小;丘陵和山区22 h时效预报值偏高,31 h时效偏低;高山站预报值偏高,年均方根误差最大。丘陵地区负误差最大,平原地区最小;山区正误差最大。     

多模式多分辨率面雨量预报在淮河流域的性能评估

利用2015～2017年淮河流域汛期ECMWF(空间分辨率0.125~ox0.125~o)、JMA(空间分辨率0.5~ox0.5~o)、WRF(空间分辨率0.1~ox0.1~o)6h、12h、24h时间分辨率的降水预报产品计算淮河流域面雨量预报,对比评估各预报时效的绝对误差、相对误差、晴雨正确率及各量级面雨量预报的TS评分。结论如下:(1)0～72h预报时效,EC的绝对误差最小、WRF居中,JMA最大。(2)三个模式的晴雨正确率随着时效的增加缓慢下降,但都维持较高水平。(3)EC和JMA的面雨量预报存在系统性高估。(4)WRF在对短历时强降水的预报性能优于其他两个模式。(5)各模式的面雨量预报性能存在日变化,且随着降水强度的增大,日变化特征更加显著,对午后到傍晚的暴雨预报准确率明显低于其他时间段。     

江苏暴雨概率预报及其业务应用

以未来12~36 h、36~60 h和60~84 h的暴雨预报为目标,利用2011年—2013年夏季6—8月欧洲细网格数值模式预报产品分析了江苏夏季暴雨的可能预报因子。通过对各因子进行相关性、敏感性和代表性分析后,优选了22个对不同强度降水具有较好区分能力的暴雨预报因子。以这些因子为基础建立了一种简单的江苏省暴雨概率预报方法。其预报产品已在江苏省气象业务一体化平台上投入业务使用。该方法在2011—2013年7月,针对提前12 h预报的历史回报试验中,TS技巧评分平均为13.6,明显高于EC细网格24 h降水预报产品(平均TS评分仅为4.5)。在2014年梅汛期的6月25—26日、7月1—2日和7月4—5日三次区域性暴雨个例的预报试验中,提前60、36、12 h的预报效果均较好,其平均TS评分(44.6)也明显高于欧洲细网格数值模式的降水预报(20.4)。     

2014—2016年数值降水预报在天津的检验评估

对2014—2016年中国国家气象中心T639数值预报、日本细网格数值预报、欧洲中心细网格(EC thin)数值预报以及天津市乡镇指导预报产品中在天津地区降水预报分别进行检验。结果表明:所有模式降水的晴雨预报准确率均随预报时效的延长而下降。降水预报准确率在秋冬春季的预报效果明显好于夏季。EC thin产品在冬季降水的预报中优势更为明显,而指导预报及T639对5月、6月及9月天津地区局地降水多发期的降水更有指示意义。针对2014—2016年天津地区的23个暴雨日按影响系统分型并统计检验结果,暴雨日降水预报晴雨成绩较好有参考价值,而降水分级检验偏差较大。相对于局地性暴雨过程,区域性的暴雨过程数值预报有更为可靠的参考性。     

ECMWF细网格数值预报产品在山东汛期强对流天气预报中的检验

利用NCEP1°×1°再分析资料、常规观测资料、ECMWF细网格数值预报产品(下简称EC产品)24～48 h预报资料,对2018—2019年山东省汛期(6—9月)强对流天气的影响系统、关键物理量及降水量进行分析检验,结果表明:(1)EC产品对西风槽和副高北界有较好的预报和模拟能力。(2)EC产品对0℃层高度预报的准确率达100%,但对-20℃层高度的预报效果较差。(3)EC产品对CAPE值的预报准确率较低,误差以偏大为主;其对热力不稳定指数的预报效果差别较大,T_(500-850)的预报效果最好,其次为K指数,效果最差的为LI指数;EC产品对低层湿度的预报效果较好,预报准确率2 m露点温度925 hPa比湿850 hPa比湿。(4)EC产品对强对流过程降水量最大值的预报一般小于实况,对中雨及以上量级降水范围的预报一般小于等于实况。     

转折性天气降水预报检验方法及应用

采用转折性天气降水检验评估方法,从转折天气预报能力的角度评价了模式降水预报能力。对全球中期T213、日本和德国数值预报模式在2006年9月至2008年8月的降水预报检验评估分析表明:转折天气降水预报能力检验是目前降水检验方法的有效补充。3种模式的转折天气降水预报能力随着预报时效的延长,存在逐渐递减的趋势;短期预报能力分析,T213和日本模式春季最好,而德国模式是夏季最好;48h预报分析,T213和日本模式在长江中下游、华北及东北等部分地区、德国模式在四川盆地和华南部分地区预报效果较好。     

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...     

COMPARISONS OF THE CHARACTERISTICS OF TROPICAL CYCLONES EXPERIENCING EXTRATROPICAL TRANSITION IN THE WESTERN NORTH PACIFIC BASED ON DIFFERENT DATASETS

The differences in the climatology of extratropical transition(ET) of western North Pacific tropical cyclones(TCs) were investigated in this study using the TCs best-track datasets of China Meteorological Administration(CMA),Japan Meteorological Agency(JMA) and the Joint Typhoon Warning Center(JTWC). The results show that the ET identification, ET completion time, and post-ET duration reported in the JTWC dataset are greatly different from those in CMA and JMA datasets during 2004-2010. However, the key differences between the CMA and JMA datasets from 1951 to 2010 are the ET identification and the post-ET duration, because of inconsistent objective ET criteria used in the centers. Further analysis indicates that annual ET percentage of CMA was lower than that of JMA, and exhibited an interannual decreasing trend, while that of JMA was an unchanged trend. The western North Pacific ET events occurred mainly during the period June to November. The latitude of ET occurrence shifted northward from February to August,followed by a southward shift. Most of ET events were observed between 35°N and 45°N. From a regional perspective,TCs tended to undergo ET in Japan and the ocean east to it. It is found that TCs which experienced the ET process at higher latitudes were generally more intense at the ET completion time. TCs completing the ET overland or offshore were weaker than those finishing the ET over the ocean. Most of the TCs weakened 24 h before the completion of ET.In contrast, 21%(27%) of the TCs showed an intensification process based on the CMA(JMA) dataset during the post-ET period. The results presented in this study indicate that consistent ET determination criteria are needed to reduce the uncertainty involved in ET identification among the centers.     

2016年夏季DOGRAFS系统站点24h降水量级预报检验

随着精细化降水预报的要求和发展,模式对站点定量降水预报已成为天气预报业务的主要参考依据之一。本文对乌鲁木齐区域数值天气预报系统DOGRAFS v1.0在2016年夏季全疆105个站点的24h累积降水量的预报性能进行统计检验。结果表明：(1)除山区外,全疆晴天预报准确率达到85%以上,其中南疆盆地、吐鄯托盆地晴天预报准确率达到95%以上。(2)对于小雨出现较多的站点,预报准确率达到55%以上、部分站点达到70%,同时上述区域存在15%左右的报强率;对于降水较少的南疆盆地和吐鄯托盆地整体以漏报为主,漏报率在80%以上。(3)北疆大部分地区和南疆西部山区的中雨预报准确率整体在30%左右;中雨日数较多的中天山及其两侧预报准确率约60%,该区域也存在20%左右的报强率;其他地区预报降水较实况以偏弱为主。(4)大雨及以上量级降水,模式预报整体表现为偏弱,对于大降水出现较多的地区预报平均准确率为25-30%。     

DIFFERENCES AMONG DIFFERENT DATABASES IN THE NUMBER OF TROPICAL CYCLONES FORMING OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC

As shown in comparisons of the characteristics of inter-annual and inter-decadal variability and periodical changes in the number of tropical cyclones forming over the western North Pacific by three major forecast centers, i.e. China Meteorological Administration (CMA), Regional Specialized Meteorological Center of Tokyo (JMA) and Joint Typhoon Warning Center (JTWC) of Guam, there are the following important points. (1) Climatology of tropical cyclone (TC) or typhoon (TC on the intensity of TS or stronger) shows some difference in tropical cyclone frequency among the centers, which is more notable with TC than with typhoon. Both of them are more at the database of CMA than at those of the other two centers. (2) The difference is too significant to ignore in the inter-annual variability of tropical cyclone frequency between CMA and JTWC, which mainly results from the obvious difference in the inter-annual variability of the number of generated tropical depression (TD) between the two databases. The difference is small in the inter-annual variability of TS formations among all the three databases, and consistence is good between JMA and CMA or JTWC. (3) Though differences are not significant in the periodical variation of TC formations between CMA and JTWC, they are markedly apart in the inter-decadal variability, which is mainly shown by an anti-phase during the 1990s. (4) Non-homogeneity may exist around the late stage of the 1960s in the data of tropical cyclone frequency.     

西北太平洋热带气旋生成数在不同资料集上的差异性比较

比较分析中国气象局(CMA)、美国台风联合警报中心(JTWC)和日本RSMC Tokyo台风中心(JMA)台风资料频次的年际、年代际变化和周期变化特征,结果表明,不同资料中心的热带气旋(TC)、台风(TS强度及以上的TC)生成数的气候值存在一定的差异,热带气旋生成数的差异较为明显,台风生成数的差异相对要小,CMA资料中热带气旋、台风生成数相对偏多;CMA与JTWC间热带气旋生成数年际间变化差异显著而难以忽略,其差异主要来自TD生成数的明显不同;三个中心关于台风生成数的一致性比较好,其中JMA台风资料与另外两个中心资料间的一致更好;CMA与JTWC西北太平洋热带气旋生成数的周期变化间无明显差异,但年代际间变化有明显差异,主要表现为1990年代的反位相;台风生成数资料可能在1960年代后期存在非均一性。     

INTENSITY CHANGE CHARACTERISTICS OF TROPICAL CYCLONES IN THE WESTERN NORTH PACIFIC AS REVEALED BY THREE DIFFERENT DATASETS

Analyzed in this paper are the 20-yr(1991-2010)tropical cyclone(TC)intensity from three forecast centers in the Western North Pacific,i.e.China Meteorological Administration(CMA),Japan Meteorological Agency(JMA),and Joint Typhoon Warning Center(JTWC)of the United States.Results show that there is more or less discrepancy in the intensity change of a TC among different datasets.The maximum discrepancy reaches 22 hPa/6h(42 hPa/6h,33 hPa/6h)between CMA and JMA(CMA and JTWC,JMA and JTWC).Special attention is paid to the records for abrupt intensity change,which is currently a difficult issue for forecasters globally.It is found that an abrupt intensity change process recorded by one dataset can have,in some extreme cases,intensity change in another dataset varying from 0 to≥10 hPa/6h with the same sign or the opposite sign.In a total of 2511 cases experiencing rapid intensity change,only 14%have consensus among all the three datasets and 25%have agreement between two of the three datasets.In spite of such a significant uncertainty,the three datasets agree on the general statistical characteristics of abrupt intensity change,including regional and seasonal distribution,the relationship with initial intensity and TC moving speed,and persistence features.Notable disagreement is on very strong systems(SuperTY)and TCs moving very fast.     

基于卡尔曼滤波的中国区域气温和降水的多模式集成预报

利用TIGGE资料集下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)、中国气象局(CMA)和英国气象局(UKMO)5个模式预报的结果,对基于卡尔曼滤波的气温和降水的多模式集成预报进行研究。结果表明,卡尔曼滤波方法的预报效果优于消除偏差集合平均(BREM)和单模式的预报,但是对于地面气温和降水,其预报效果也存在一定的差异。在中国区域2 m气温的预报中,卡尔曼滤波的预报结果最优。而对于24 h累积降水预报,尽管卡尔曼滤波在所有量级下的TS评分均优于BREM,但随着预报时效增加,其在大雨及以上量级的TS评分跟最佳单模式UKMO预报相当,改进效果不明显。卡尔曼滤波在地面气温和24 h累积降水每个预报时效下的均方根误差均最优,预报效果更佳且稳定。     

1999—2003年西北太平洋热带气旋综合预报的误差分析

应用1999—2003年中国中央气象台 (CMO)、日本气象厅 (JMA) 以及美国联合台风警报中心 (JTWC) 发布的西北太平洋热带气旋综合预报资料, 从总误差、逐年误差趋势、不同海区误差、不同路径趋势误差、不同强度趋势误差等5个方面对各预报中心的路径及强度预报结果进行分析, 结果表明:5年总的平均误差以JTWC的路径预报误差最小, 而JMA的强度预报较准确; 在不同海域, 各预报中心的路径预报能力各有优势, 但在热带气旋的强度预报方面, JMA的方法在各海区都较稳定; 对不同路径趋势热带气旋的预报方面, 除了南海转向热带气旋的路径预报比JMA和CMO稍差一些之外, JTWC的路径预报在大多数情况下都是好于或相当于JMA和CMO; 在不同强度变化趋势热带气旋的预报方面, JTWC在大多数情况下都优于其他中心。上述结果帮助业务和科技人员全面了解各预报中心的预报能力优劣, 也为今后改进我国的热带气旋预报提供有益的参考。