国家气候中心海气耦合模式汛期降水预报的一种订正方案及其试验

用奇异值分解(SVD)方法,分析了1983～2003年夏季国家气候中心海气耦合模式500hPa高度预报场与中国特别是华中区域降水场、1971～2000年夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场与中国特别是华中区域降水场的关系.结果表明:夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场与中国特别是华中区域降水场关系明显较模式500hPa高度场密切,若夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场南、北半球副热带高压较强(弱),北半球副热带高压主体偏南(北),则长江流域、东北地区中部及青藏高原东侧将降水偏多(偏少).对比分析结果,发现国家气候中心海气耦合模式存在一定程度的预报误差,如长江流域误差就较为明显.作者提出一种订正方案,利用SVD从模式500hPa高度预报场中提取大尺度信号,借助最优化技术,合理订正误差,改进降水场的预报.经试验表明:订正后降水场预报的距平同号率有可能接近NCEP/NCAR 500 hPa高度场相当的技巧水平.     

前期大气环流和海温变化对云南汛期雨量的影响

分析了云南汛期6~8月雨量与前期1~5月北半球200、500、850hPa高度场和海温场(40°S～40°N,30°E～70°W)的相关关系,得到两个相关场中显著相关区的时空分布特征、尺度范围和相关场的波列结构。并进一步分析了与云南汛期雨量相关的环流系统的天气气候学意义,得到云南汛期雨量与前期高度场和海温场的遥相关关键区。分析结果表明:通过综合考虑高度场和海温场作为云南汛期雨量预报因子,使预报更具可靠的物理基础,并初步归纳出影响云南汛期雨量的物理概念模型。     

我国东部夏季降水量统计降尺度的可预测性研究

利用1951—2007年逐月的北半球500 hPa高度场资料,使用降尺度技术和偏最小二乘回归方法,对我国东部夏季6—8月降水量作可预测性研究。用全球大气与热带太平洋相耦合的数值模式(CGCM)输出的500 hPa高度场作为因子场,利用建立的预报模型作预报试验。试验结果表明,以北半球东亚40°E~180°地区的500 hPa高度场是较佳的降尺度因子场。预报模型的建立与使用的提取主分量个数和资料时期有关,提取主分量数在4~7、样本容量取32~43时有较好的预测效果。试验结果还表明,以CGCM模式输出的500 hPa高度场作为因子场进行预测,有一定的预测能力。     

统计预报海温场驱动的CAM3.1模式预报试验

基于动力气候模式进行月一季尺度预报的“两步法”思想,提出一种新的预报海温场统计模型,并以该统计模型预报的海温场驱动NCAR CAM3.1模式对1981-2000年月时间尺度的东亚500 hPa高度距平场进行客观回报试验;在此基础上,提出了对预报结果的订正方法。结果表明:统计预报海温模型的预报海温场能够反映出全球海温空间分布的基本特征,并对表征ENSO事件的Ni?o3.4区海温变化的预报能力较强。该统计模型预报的海温场驱动的CAM3.1模式可以较好地预报出东亚500 hPa环流的主要分布特征,试验表明:适当的统计订正方法可以在一定程度上提高CAM3.1模式对东亚夏季500 hPa环流背景的预报技巧。     

海温强迫下的东亚夏季大气环流潜在可预报性特征

利用大气环流模式NCARCAM3,进行22a（1979—2000年）、每年8个初值的集合试验,并采用方差分析方法,研究了观测海温强迫下东亚夏季大气环流的潜在可预报性。结果表明,夏季东亚地区海平面气压场的潜在可预报性总体偏低,在中国区域呈东南高、西北低的分布特征;850hPa纬向风场、对流层500～200hPa平均温度场和500hPa位势高度场在低纬度地区的潜在可预报性明显高于中高纬度地区。500hPa位势高度场的潜在可预报性较高,东亚大部分地区大于0.5,尤其华南地区大于0.7。夏季东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性具有明显的年际变化特征,并与夏季南海海温异常关系密切。与正常年份相比,在夏季南海海温偏暖或者偏冷年,东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性较高     

初值精度对月预报影响的数值研究

利用改进的 T42L10模式,以1992年8月31日12时为初始场,分别以瞬时初始场和平均初始场,作30天长期数值预报,以对比研究初值精度对月长期数值预报结果的影响.研究结果表明:(1)无论是高度场还是风场,瞬时初始场所作月预报的相关系数要比平均初始场的高约9个百分点.(2)从瞬时初值出发所作的500hPa 高度场及流场中,对东亚地区较深的槽,里海至乌拉尔较强的脊区,以及维持在东亚40°N 左右的急流都作了较好的模拟,而平均初始场的月预报结果与实况的差别较大.(3)用平均初始场所作的预报,其系统过于平滑,使预报结果受到影响.     

近50年营口夏季降水异常年与前期海气环流特征分析

利用1951～2000年营口夏季降水量和前期500hPa高度场、北太平洋海温资料,分析了夏季异常旱涝年的前期秋季(9～11月)、冬季(12月—翌年2月)500hPa高度场和北太平洋海温场及环流场特征。结果表明:前期秋、冬季海气资料与夏季降水相关较好,且存在“隔季相关”的现象。     

中低纬海气相互作用的耦合型态及其年代际振荡特征研究

采用北半球500hPa高度场和北太平洋海温场月平均资料（1951－1995），借助于SVD分析方法，对北太平洋地区海气相互作用的耦合型态的季节及其年代际变化特征作诊断分析。结果表明：（1）在大气－海洋相互作用过程中，与厄尔尼诺（或拉尼娜）事件有关的SST分布型起着重要作用，而与此耦合的大气则表现为类似于PNA型遥相关的变化。其中冬季（1月）海气相互作作用的耦合程度较高，具体为厄尔尼诺事件对应着高度场的PNA流型。而与拉尼娜相对应的夏季500hPa高度场类似于东亚－太平洋（PJ）流型，但在4个季节中，夏季的海气相关耦合程度相对较差。春秋季同属于过渡季节，秋季海气之间的相关耦合不及春季紧密。（2）1976年前后海气耦合分布型态发生明显变化，冬季500hPa高度场PNA流型加强，阿留申低压加深并向东南移动，1976年后的夏季500hPa高度场的PJ流型表现明显，而1976年前这个遥相关型并不显著。     

1998年秋到1999年春华南特大干旱气候成因

利用奇异值分解 (SVD) ,配合统计相关技术的应用 ,研究了广西秋季到第 2年 3月降水与 5 0 0 h Pa高度场和热带、北太平洋海温场的时间和空间结构及其相互关系。结果表明 ,第一耦合场明显反映了 ENSO信息 ,具有很高的相关 ;而海气配对的第二耦合场反映了作为关键区的日本海域以东的海温与 1 0 0°E以东 5 0 0 h Pa高度有较好的负相关。分析 1 998年以来海气场的变化 ,高度场上北太平洋中高纬 5 0 0 h Pa高度明显偏低 ,亚洲大陆和北太平洋中低纬高度偏高 ,因此其间冷空气明显偏弱 ,路径偏东 ;而海温场上 ENSO的变化 ,L ANina的发展过程与第一耦合场的海温变化模态一致 ;后期海、气关键区变化与第二耦合场相符。因此 ENSO的变化 ,日本海域以东升温造成了环流形势的异常 ,这是华南特大干旱的原因。利用时间系数互为因子法对广西 1 998年 8月到 1 999年 3月逐月降水作 SVD定量预报 ,预报降水持续偏少 ,1 999年春季干旱将非常严重。     

冬季北半球500hPa高度场变异的关键区

运用方差分析、相关分析、回归分析对1951～2001年500 hPa高度场资料进行分析,结果表明:冬季有三个区域(180°E～150°W,45～60°N;70～100°W,45～75°N;60～100°E,65～80°N)方差最大,是大气环流发生变异的关键区.各个关键区平均高度的变化和不同的大气环流遥相关型的相关关系不同,与同期500 hPa高度场之间的线性相关较密切,能代表同期500 hPa高度场约88%的变化,且在一定程度上能说明后期3～4月的500hPa大气环流的变化情况,对后期大气环流的演变具有一定的预报意义,但时间间隔越大,可预报性越差.     

基于聚类天气分型的KNN方法在风预报中的应用

以模式识别和相似预报思想为基础, 建立基于自组织神经网络 (SOM) 的聚类天气分型和交叉验证的K最近邻域非参数估计仿真模型 (KNN)。该模型首先以自组织神经网络技术对西北地区的高空流场和高度场进行聚类分型, 针对不同天气形势下的历史样本, 通过交叉检验, 分别寻求各类天气型下的最佳K组合。为了验证聚类天气分型对KNN方法的影响, 使用2003—2006年冬半年T213数值预报产品和宁夏日最大风速资料, 同时建立了宁夏冬半年日最大风速≥6 m/s天气分型和未分型的KNN预报模型, 并对2007年1—5月进行了预报试验, 预报评估结果表明:天气分型后的预报模型总体上降低了预报空报率, 提高了预报准确率, 特别是某些类天气型, 提高幅度更大, 为分类相似预报开拓了思路。     

Simplified dynamical anomaly model for long-range numerical forecasts

In this atmosphere-ocean-land coupled model, two basic ideas are developed, One is that the observational climate field is utilized and only the anomalous components are predicted. The other is that the transient Rossby wave is treated as the meteorological "noise" on the long-term variation that must be predicted in a climate forecasting. According to the latter, the transient Rossby wave can be filtered by omitting the partial derivative with respect to time in the atmospheric vorticity equation. But the time derivative term is still kept in the thermal equation for underlying ocean and land. With this assumption, the vorticity equation becomes time-independent, i.e. it is only a balance relationship between the anomaly geopotential height field and earth's surface heating field. This model is different from the usual GCM, so it may be called as the filtered anomaly model (FAM).A dozen examples of one month prediction are summarized in this report.     

中尺度降水集合预报随机参数扰动方法敏感性试验

中尺度降水模式预报具有很大的不确定性,为更好地描述与模式降水预报密切相关的物理过程关键参数的不确定性,基于中国气象局GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中尺度区域集合预报模式,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等4个参数化方案中选取了18个关键参数,设计了一种随机参数扰动方案（Stochastically Perturbed Parameterization,SPP）,并通过2015年6—7月总计10 d的随机扰动集合预报试验,对比分析了SPP方案对不同物理过程参数扰动敏感性、随机场时、空尺度敏感性、能量变化特征及其集合预报效果。结果显示,对所选择的任一物理过程参数化方案增加SPP扰动后,降水及等压面要素的概率预报技巧优于无SPP扰动的预报,而扰动积云对流和边界层过程中的参数较扰动云微物理过程中的参数影响更显著,且同时扰动积云对流、云微物理、边界层及近地面层参数化方案中的18个参数的集合预报效果优于扰动任何单一物理过程中的部分参数,表明SPP方案能够有效地提高中尺度降水概率预报技巧;从能量变化特征可知,不同物理过程的参数扰动对动能、内能和总能量的影响层次和特征有所不同,但总体而言,扰动前后各项能量基本相同;随机场时、空尺度敏感性试验发现,SPP扰动随机场时间、空间相关尺度对集合预报效果有明显影响,当扰动随机场选用12 h抗相关时间及截断波数20时,集合预报结果最优。上述结果表明,SPP随机参数扰动方案不仅能够有效提高集合概率预报效果,还能够提高集合降水概率预报技巧,具有良好的业务应用与发展前景。      

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

基于最小二乘支持向量机的副热带高压预测模型

采用EOF时空分解、小波频牢分解和最小二乘支持向量机（LS-SVM）交叉互补方法,建立夏季500 hPa位势高度场的预测模型,用以描绘和表述副热带高压形势场的形态和变化。首先用经验正交函数分解（EOF）方法将NCEP/NCAR再分析资料500 hPa位势高度场序列分解为彼此正交的特征向量及其对应时间系数,随后提取前15个主要特征向龟的时间系数（方差贡献96.2%）,采用小波分解方法将其分解为相对简单的带通信号,再利用LS-SVM方法建立各分量信号的预测模型,最后通过小波时频分量重构和EOF时空重构,得到500hPa位势高度场的预测结果以及副热带高压形势场的预测。通过对预测模型的试验情况和分析对比,结果表明:基于上述思想提出的算法模型能较为准确地描述500 hPa位势高度场的形态分布并预测1~7 d的副热带高压活动,对10~15 d的副热带高压活动预测结果也有参考意义。     

基于TIGGE数据的我国寒潮自动识别预报方法

利用1951—2006年中央气象台寒潮天气过程数据以及NCEP/NCAR 500 hPa高度场等逐日再分析资料,通过客观聚类方法与主观对比分析确定寒潮爆发的典型形势场,结合寒潮过程特征量阈值,建立了基于TIGGE集合预报产品的寒潮自动识别客观预报方法,并利用TIGGE集合预报数据对2008年1月和2009年1月两次寒潮天气过程进行预报试验。结果表明:利用500 hPa高度距平场进行聚类分析,一方面可以消除环流季节特征对划分结果的影响,另一方面也突出了寒潮这种强天气的异常扰动表现;基于集合预报产品的寒潮自动识别预报方法浓缩了集合预报产品信息,可直接为预报员提供寒潮发生的概率预报,从而在集合预报产品与我国实际灾害性天气之间建立了直接联系。     

A MODEL OF INTEGRATED RANDOM INITIAL VALUES AND RANDOM FORCING AND ITS PRELIMINARY EXPERIMENT

A simple quasi-geostrophic barotropic vorticity equation model is used as the dynamic frame of themodel in this paper.Considering that there are many random errors in model's initial values of meteorolo-gical data,and that it is not perfectly complete about model's physical processes (for example,take no ac-count of the interaction between atmosphere and underlying surface,radiation,etc.),we add the random for-ced term to the model and use the Monte-Carlo method with random initial values.A statistical-dynamicintegrated model is thus built up,and a numerical forecasting experiment of 500hPa monthly mean height fieldof January 1983 has been carried out.The experiment result proves that the forecasting result of the model,considering random forcing and random initial values at the same time,is better than that by the pure dynamicmodel,the random initial value model and the random forced model.     

带随机初值和随机强迫的简单模式的集合预报试验

本文用简单的准地转正压涡度方程谱模式作为本文模式的动力框架,考虑到作为模式初始场的气象资料中存在着大量的随机误差,以及模式中物理过程的不完善(例如,没有考虑大气与下垫面的相互作用、辐射等),采用在模式中加入随机强迫项和使用随机初值的蒙特卡洛方法,建立了一个统计动力相结合的模式,并用此模式做了1983年1月500hPa月平均高度场的数值预报试验。试验结果表明:同时考虑随机强迫和随机初值的模式预报效果优于纯动力模式、随机初值模式和随机强迫模式的预报效果。     

基于LAF思想的一种初始扰动生成方法及集合预报试验

在时间滞后平均法(LAF)思想的基础上,提出了一种改进的LAF方法,这种方法的思路是将不同的初始扰动叠加到模式初始场上进行不同的扰动预报,形成集合预报的成员;而不同的扰动场是通过在滞后不同时次上求取不同资料分析场之差获得。这种扰动不仅体现了不同分析场的差异,而且不同的滞后时间也体现了LAF方法的思路。然后利用经典的LAF方法及改进的LAF方法和AREM模式,分别对2004年6月14~15日安徽入梅首场暴雨过程进行了集合预报试验。结果表明,无论是雨带还是雨团位置和强度的预报,改进的LAF方法都优于经典的LAF方法。进一步研究发现,对于同一个扰动,加扰预报结果比减扰结果要好,若只选择加扰预报作集合平均,其预报结果更接近实况。