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     

集合预报的现状和前景

综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法 ——— 集合预报。 随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实, 这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。 未来的天气预报产品预计将从“决定论”的预报转变为“随机论”的预报来正确地表达气象科学中这一所谓“可预报性问题”, 以便更好地为用户服务。 文中扼要地叙述了集合预报的概念、基本问题及其最新的研究动态和发展, 包括(1)如何建立和评估一个集合预报系统;(2)如何正确地表征大气初值和模式物理过程的不确定性与随机性;(3)如何从集合预报中提炼有用的预报信息和合理地解释、检验集合预报的产品, 特别是概率预报。 除了直接在天气预报上的应用, 还提到集合预报在气象观测和资料同化方面应用的动态, 以引起有关研究人员的注意。     

中期数值天气预报业务的回顾与展望

本文回顾了近年来国内外中期数值天气预报业务的新进展,简略地介绍了当今国外（以欧洲中期天气预报中心为主）和我国中期数值天气预报业务系统。最后对未来中期数值天气预报的发展作一展望,指出其未来发展的主要方向。     

集合预报简介

文中简述了集合预报的进展，对其中的扰动初值的生成与原理，和欧洲中期天气预报中心的集合预报产品作了介绍。     

集合预报及其在中期天气预报中的应用

作者概述了集合预报的基本概念，集合预报中期天气预报中的意义与作用，现有的主要集合预报产品以及集合预报在美国美国国家气象中心和欧洲中期天气预报的业务运行。简要介绍了我国国家气象中心在动力延伸预报和集合预报方面的试验研究情况。     

国家气象中心中期集合预报系统概况

随着对大气初值及数值模式存在不确定性的认识以及计算机技术的飞速发展，集合预报已经成为数值预报发展的重要方向之一。本文介绍集合预报的基本概念及初值扰动的特点和国家气象中心集合预报系统的概况。     

集合数值预报在洪水预报中的应用进展

水文集合预报是近几年正在形成和发展的水文预报分支,其发展大致可分为两个阶段:第1阶段是1970年至20世纪末进行的长期径流预报,第2阶段从21世纪开始,主要学习气象数值预报中集合预报的概念在短期水文集合预报中的应用。目前,除了单一预报中心的集合预报系统在水文集合预报中应用外,多个预报中心的集合预报大集合也逐渐被应用于流域水文预报,甚至一些小流域的洪水预报。如利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)集合预报驱动形成的大气-水文-水力的串联系统进行早期的洪水预警研究,将全球集合预报作为洪水模型输入的有限区域模式的初始条件和侧边界条件的研究。这些均表明,基于水文集合预报的洪水预报增加了预报附加值,并能够延长预警提前时间。以欧洲中期天气预报中心的欧洲洪水预警系统(EFAS)和美国NOAA的先进水文预报系统(AHPS)为代表,实现了集合预报在洪水中的实时业务预报,但仍存在数据处理和计算量大,以及如何基于集合水文预报做决策等问题。对于水文集合预报的前处理和后处理的各种技术已处于探索和验证阶段,如何更好地理解基于概率预报的洪水预警决策仍存在许多困难和挑战。     

NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述

总结了目前最具代表性的3个全球集合预报系统（global ensemble forecast system,GEFS）——美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）和加拿大气象中心（Canadian Meteoro-logical Centre,CMC）建成至今的发展概况。由于计算资源的不断扩展,各中心集合预报系统的模式分辨率、集合成员数也随之增加。同时各中心都在不断地致力于发展和完善初始和模式扰动方法,来更好地估计与初值和模式有关的不确定性,促进预报技巧的提高。其中初始扰动方法从最初的奇异向量法（ECMWF）、增殖向量法（NCEP）和观测扰动法（CMC）更新为现在的集合资料同化—奇异向量法（ECMWF）、重新尺度化集合转换法（NCEP）和集合卡尔曼滤波（CMC）。在估计模式不确定性方面,ECMWF和CMC都修订了各自的随机参数化方案和多参数化方案,NCEP最近也在模式中加入了随机全倾向扰动。为提高全球高影响天气预报的准确率,TIGGE计划（the THORPEX interactive grand global ensemble）的提出增进了国际间对多模式、多中心集合预报的合作研究,北美集合预报系统（North American ensemble forecast system,NAEFS）为建立全球多模式集合预报系统提供了业务框架,这都将有助于未来全球交互式业务预报系统的构建     

集合预报开创了业务数值天气预报的新纪元

近年来世界上随着几个气象中心的集合预报投入业务,标志着业务数值天气预报进行了一个新的纪元,在任何进修大气的起初状态是不知道的,只有近似地描述大气,所以确切地说,天气预报问题应该提为大气的相空间中合适的概率密度函数随时间的演变。在误差的增长超出线性动力学范畴之外,集合预报是预报大气概率密度函数演变唯一可行的方法。可用扰动的产生是集合预报的主要问题之一。沿着预报系统的相空间中最不稳定的方向来扰动初始条     

多模式集合预报技术及其分析与检验

基于国家气象中心天气预报业务平台,对德国、日本、欧洲中心数值预报模式和我国T213模式的夏季预报产品进行检验,在此基础上,通过不同模式对目标区域预报能力的分析,分别应用神经元网络预报技术和基于Ts评分的客观多模式权重系数法(ME),建立了4个模式的集合预报方法,并应用于2005年汛期业务运行。结果表明:ME对短期降水预报技巧高于简单集合平均,因此具有一定的业务应用前景。     

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.     

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。     

集合敏感性在预报误差及可预报性研究中的应用进展综述

研究大气的可预报性和预报误差产生的原因,对于改进数值预报,提升业务预报技巧具有重要意义。集合敏感性基于具有流依赖特性的集合预报,通过建立预报与初始场或前期预报大气状态之间的统计关系,为揭示与预报对象可预报性相关的动力学特征及理解预报误差来源和传播机制提供了一种新方法。同时,介绍了集合敏感性的定义和度量,并综述了其针对典型天气系统和高影响天气事件研究的进展,并讨论了该方法的优势和局限性。     

Evaluation of a Regional Ensemble Data Assimilation System for Typhoon Prediction

An ensemble Kalman filter (EnKF) combined with the Advanced Research Weather Research and Forecasting model (WRF) is cycled and evaluated for western North Pacific (WNP) typhoons of year 2016. Conventional in situ data, radiance observations, and tropical cyclone (TC) minimum sea level pressure (SLP) are assimilated every 6 h using an 80-member ensemble. For all TC categories, the 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system have an appropriate amount of variance for TC tracks but have insufficient variance for TC intensity. The 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system tend to overestimate the intensity for weak storms but underestimate the intensity for strong storms. The 5-d deterministic forecasts launched from the ensemble mean analyses of WRF/EnKF are compared to the NCEP and ECMWF operational control forecasts. Results show that the WRF/EnKF forecasts generally have larger track errors than the NCEP and ECMWF forecasts for all TC categories because the regional simulation cannot represent the large-scale environment better than the global simulation. The WRF/EnKF forecasts produce smaller intensity errors and biases than the NCEP and ECMWF forecasts for typhoons, but the opposite is true for tropical storms and severe tropical storms. The 5-d ensemble forecasts from the WRF/EnKF system for seven typhoon cases show appropriate variance for TC track and intensity with short forecast lead times but have insufficient spread with long forecast lead times. The WRF/EnKF system provides better ensemble forecasts and higher predictability for TC intensity than the NCEP and ECMWF ensemble forecasts.     

基于增长模繁殖法的暴雨集合预报

采用WRF模式对2010年9月发生在河南省附近的一次暴雨过程进行了集合预报试验。用增长模繁殖方法(BGM)制作了集合预报方案1;为了充分利用背景场信息,结合时间滞后法,制定了集合预报方案2:滚动繁殖法;考虑到暴雨过程中天气形势的特殊性,结合区域空间特征,制定了集合预报方案3:区域繁殖法。这3组试验均对变量U、V、T、Q进行了初值扰动,加上控制预报,均产生了9个集合成员。试验结果表明:几种集合预报方法在预报效果上相较于控制预报都具有明显的改善,滚动繁殖法及区域繁殖法对增长模繁殖法都具有一定的改进作用,其中区域繁殖法的预报效果更优,与实况更为接近。     

中短期天气集合预报问题

集合预报从上个世纪九十年代兴起 ,目前已成为许多业务预报中心的重要业务之一 ,同时也成为研究的重要工具。系统介绍了全球模式中短期天气预报集合、有限区域模式短期天气预报集合以及集合预报在强风暴预报中的应用等 ,并对集合预报中应当注意的问题进行了阐述。     

集合预报产品综合分析显示平台关键技术与实现

针对集合预报方法在天气预报业务中的应用,开发了具有自主知识产权的集合预报产品综合分析显示平台。以集合预报模式输出数据量大、气象图表显示效率和质量要求高两个主要需求为出发点,采用客户端服务器架构设计。服务器端将原始数据转换为产品数据以提高客户端执行效率。该文详细分析了平台关键技术,针对数据延时问题,轮询式数据处理技术实时检查原始数据变化状态并更新产品,采用生产者消费者互斥方法解决多线程锁死问题。为提高图表美观程度,动态页面布局显示技术对所有图形要素进行分类, 并给出显示属性的抽象描述,结合图形渲染技术,实现了看图模式和出图模式的动态切换。该平台为预报员和服务决策者提供了宝贵的不确定性信息,在中小尺度极端天气预报、台风路径预报中发挥了重要作用。     

Ensemble Forecast： A New Approach to Uncertainty and Predictability

Ensemble techniques have been used to generate daily numerical weather forecasts since the 1990s in numerical centers around the world due to the increase in computation ability. One of the main purposes of numerical ensemble forecasts is to try to assimilate the initial uncertainty （initial error） and the forecast uncertainty （forecast error） by applying either the initial perturbation method or the multi-model/multiphysics method. In fact, the mean of an ensemble forecast offers a better forecast than a deterministic （or control） forecast after a short lead time （3-5 days） for global modelling applications. There is about a 1-2-day improvement in the forecast skill when using an ensemble mean instead of a single forecast for longer lead-time. The skillful forecast （65% and above of an anomaly correlation） could be extended to 8 days （or longer） by present-day ensemble forecast systems. Furthermore, ensemble forecasts can deliver a probabilistic forecast to the users, which is based on the probability density function （PDF） instead of a single-value forecast from a traditional deterministic system. It has long been recognized that the ensemble forecast not only improves our weather forecast predictability but also offers a remarkable forecast for the future uncertainty, such as the relative measure of predictability （RMOP） and probabilistic quantitative precipitation forecast （PQPF）. Not surprisingly, the success of the ensemble forecast and its wide application greatly increase the confidence of model developers and research communities.     

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...