数值预报发展的新方向——集合数值预报

数值预报走过了百年的历史（V．Bjerknes，1904），取得了了不起的成就，预报准确率有了很大的提高。但是，考虑到大气的非线性作用以及初值和模式造成的数值预报不确定性，要提高传统的单一确定性预报的技巧越来越难。基于大气初值的敏感性试验，Lorenz提出了数值预报发展的新方向——集合数值预报。 通过介绍集合数值预报的基本思想和方法；并针对初值和模式的不确定性，概述现有集合数值预报成员的产生方法及国内外的研究进展；同时解释怎样检验集合预报的结果的论述，如何从众多的集合预报产品中提炼有用的信息及预报产品的释用。     

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。     

业务集合预报系统的现状及展望

集合预报系统从原理上讲也可称之为概率预报系统，其最终目的是要提供所有大气变量的完全概率预报，近几年集合预报技术从以前仅考虑初值的不确定性发展为也考虑模式的不确定性，进而发展了多模式－多分析集合预报技术等，阐述了目前业务集合以预报的一些问题，如扰动初值的生成，多模式集合预报，集合预报产品的应用，检验评价等，介绍了近几年集合预报的新进展及该技术的未来发展趋势。     

台风集合预报研究进展

台风数值预报是防台减灾的关键,而集合预报是体现和减少数值预报不确定性的常用方法。本文对近年来台风集合预报方法的研究进展进行了梳理和总结,涉及初值集合扰动、模式扰动技术以及基于统计的台风集合预报后处理技术。对全球几个主要集合预报系统的发展及我国的区域台风集合预报系统做了回顾。最后,在回顾的基础上,讨论和提出了关于台风集合预报仍存在的问题及未来可能的研究方向。     

区域集合预报扰动方法研究进展综述

集合预报方法是解决单一数值预报不确定性问题的有效手段,而针对强天气预报的中尺度区域集合预报技术已逐渐受到国内外的重视。对于区域集合预报而言,由于其不确定性来源较为复杂,如何发展有效的扰动方法是研究的热点和难点。本文根据国内外区域集合预报的研究进展,从初值扰动、模式扰动以及侧边界扰动三个方面进行了总结和回顾,并对扰动方法的发展趋势进行了介绍。对于初值扰动,较为主流的方法有动力降尺度,沿用传统的由全球集合扰动方法发展而来的技术为区域集合产生初值,以及专门为区域集合设计的扰动方法。鉴于这些方法各有利弊,目前对于初值扰动方法的研究已经开始发展充分包含大尺度和小尺度不确定性信息的混合扰动方法。区域集合预报模式扰动的研究以物理过程扰动为主,典型方法为多物理过程组合以及随机物理过程扰动,其中多物理过程组合方法简单有效,而随机物理过程扰动方法的物理意义更为明确,是物理过程扰动的趋势。通过多模式组合进行模式扰动的方法也开展了一些相关研究,且对于台风等强天气预报均显示出相对于单模式集合较好的效果。侧边界扰动的主流方法是由大尺度集合预报场来为区域集合提供不同的侧边界,研究结果表明此种侧边界扰动方法简便易行,且有助于提高区域集合预报较长预报时效离散度和预报技巧。     

集合预报研究及应用进展

从初值扰动的生成方法、数值预报模式的建立、输出产品的提炼应用等方面简要概括了集合预报的最新进展。指出，运用BGM法生成初值扰动效果较好，多模式集合预报正成为天气预报的发展趋势；集合概率预报是集合预报的最佳结果，但发布还需要做大量的普及推广和培训工作；集合预报正在被越来越多的国家投入准业务运行和业务运行．有可能成为新的主流预报方式。     

GRAPES全球/区域集合预报系统10年发展回顾及展望

较系统地概述了中国气象局全球/区域集合预报系统及描述模式初值和模式自身不确定性的集合预报扰动技术发展历程,回顾了GRAPES(Global/Regional Assimilation Pr Ediction System)全球集合预报的奇异向量初值扰动方法、GRAPES区域集合预报的集合变换卡尔曼滤波初值扰动方法和多尺度混合初值扰动方法、GRAPES全球/区域集合预报模式不确定性的随机物理过程倾向项扰动方法和动能后向散射随机补偿方法等研究成果,介绍了GRAPES全球/区域集合预报业务系统构建参数设置和预报性能,最后分析了GRAPES全球/区域集合预报中存在的问题,展望了未来发展方向。     

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。     

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GRAPES_Meso的集合预报扰动方案设计与比较

基于GRAPES_Meso区域集合预报系统,设计了三种集合预报扰动方案,即多初值、多初值多物理、多初值多物理多边值,并针对三种方案进行了连续一个月的批量试验,重点分析了2008年7月23日江淮暴雨过程.结果表明,对于降水预报,三种集合扰动方案均相对于控制预报均有所改善,多初值多物理与多初值多物理多边值方案对小雨、中雨预报改进效果显著,对暴雨预报略有改进;多初值方案仅能产生有限的集合离散度且难以增长,引入物理参数方案扰动及边界条件扰动能显著提高集合离散度,改善各物理量场的预报效果;通过比较,多初值多物理多边值为最优方案.该批量试验表明,模式物理过程及边界条件是影响GRAPES _Meso区域集合预报不确定性的不可忽视因素.     

Heavy Rainfall Ensemble Prediction： Initial Condition Perturbation vs Multi-Physics Perturbation

Mesoscale ensemble is an encouraging technology for improving the accuracy of heavy rainfall predictions. Occurrences of heavy rainfall are closely related to convective instability and topography. In mid-latitudes, perturbed initial fields for medium-range weather forecasts are often configured to focus on the baroclinic instability rather than the convective instability. Thus, alternative approaches to generate initial perturba- tions need to be developed to accommodate the uncertainty of the convective instability. In this paper, an initial condition perturbation approach to mesoscale heavy rainfall ensemble prediction, named as Different Physics Mode Method （DPMM）, is presented in detail. Based on the PSU/NCAR mesoscale model MM5, an ensemble prediction experiment on a typical heavy rainfall event in South China is carried out by using the DPMM, and the structure of the initial condition perturbation is analyzed. Further, the DPMM ensem- ble prediction is compared with a multi-physics ensemble prediction, and the results show that the initial perturbation fields from the DPMM have a reasonable mesoscale circulation structure and could reflect the prediction uncertainty in the sensitive regions of convective instability. An evaluation of the DPMM ini- tial condition perturbation indicates that the DPMM method produces better ensemble members than the multi-physics perturbation method, and can significantly improve the precipitation forecast than the control non-ensemble run.     

集合变换卡尔曼滤波局地化对区域集合初始扰动的影响

集合变换卡尔曼滤波(ensemble transform Kalman filter, ETKF)是一种有效的集合预报初始扰动构造方案。但是,有限的集合样本、相同的集合成员设置以及预报模式误差等可能会使两个距离较远的状态变量产生虚假相关,从而影响ETKF集合扰动的质量。为了有效解决远距离虚假相关问题,将局地化思想引入ETKF方案。本文针对GRAPES区域集合预报系统(GRAPES REPS),对ETKF初值扰动局地化方案的效果进行了试验分析,为进一步改善和优化局地化方案(LETKF方案)提供依据。通过一周的连续试验,从暴雨个例、集合预报多种评分检验等方面分析了LETKF初始扰动方案所产生的集合预报质量。结果表明,区域集合预报中集合变换卡尔曼滤波初始扰动的局地化方案能够更加合理地捕捉到快速增长的分析误差的物理结构,更准确地再现数值模式预报误差的线性与非线性传播和演变特征。该局地化方案可以较好地改进预报质量,提高降水预报的准确率,尤其是针对小雨、中雨、暴雨量级的预报。相对于现有区域集合预报的业务系统GRAPES REPS,基于局地化ETKF初始扰动方案的区域集合预报具有较明显的优势。总体来看,LETKF初始扰动方案可更好地改善区域集合预报的质量。     

Study on ETKF-Based Initial Perturbation Scheme for GRAPES Global Ensemble Prediction

Initial perturbation scheme is one of the important problems for ensemble prediction. In this paper, ensemble initial perturbation scheme for Global/Regional Assimilation and PrEdiction System (GRAPES) global ensemble prediction is developed in terms of the ensemble transform Kalman filter (ETKF) method.A new GRAPES global ensemble prediction system (GEPS) is also constructed. The spherical simplex 14-member ensemble prediction experiments, using the simulated observation network and error characteristics of simulated observations and innovation-based in ation, are carried out for about two months. The structure characters and perturbation amplitudes of the ETKF initial perturbations and the perturbation growth characters are analyzed, and their qualities and abilities for the ensemble initial perturbations are given. The preliminary experimental results indicate that the ETKF-based GRAPES ensemble initial perturbations could identify main normal structures of analysis error variance and reflect the perturbation amplitudes.The initial perturbations and the spread are reasonable. The initial perturbation variance, which is approximately equal to the forecast error variance, is found to respond to changes in the observational spatial variations with simulated observational network density. The perturbations generated through the simplex method are also shown to exhibit a very high degree of consistency between initial analysis and short-range forecast perturbations. The appropriate growth and spread of ensemble perturbations can be maintained up to 96-h lead time. The statistical results for 52-day ensemble forecasts show that the forecast scores ofensemble average for the Northern Hemisphere are higher than that of the control forecast. Provided that using more ensemble members, a real-time observational network and a more appropriate inflation factor,better effects of the ETKF-based initial scheme should be shown.     

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.     

EFFECT OF INITIAL PERTURBATION OF LAND SURFACE PROCESSES ON TROPICAL CYCLONE FORECAST

Many studies have explored the importance and influence of planetary boundary layer processes on tropical cyclones (TCs). However, few studies have focused on the influence of land surface processes on the activity of TCs. To test the effect of initial perturbations of land surface processes on TCs, a land surface process perturbation module is built in a global ensemble prediction system. Ensemble experiments for the TCs that occurred from 12 UTC 22 August to 18 UTC 24 November, 2006 show that consideration of the uncertainties within the land surface process could increase the predictability of the global ensemble prediction system. Detailed analysis on TC Xangsane (2006) indicates that the perturbation of land surface processes may increase the variation of sensible heat flux and latent heat flux. Meanwhile, the effect from land surface perturbation can be transferred to the upper atmosphere, which leads to better TC forecasts.     

对流尺度集合预报与模式不确定性研究进展

本文回顾了国内外近10年来对流尺度集合预报系统以及有关模式不确定性研究的成果。对流尺度集合预报在提高局地强天气预报预警能力方面,因其可以提供丰富的概率预报信息而具有显著优势,相关研究和应用受到国内外学者和数值预报业务机构的重视。相对于全球集合预报,对流尺度集合预报中有关模式不确定性的研究缺乏系统性和理论基础,成为目前研究的热点和难点。目前常用的模式扰动方法有多模式、多物理过程、多物理参数、随机物理等。这些方法在强对流事件、热带气旋强度路径等预报中得到了广泛应用,但在提高对流尺度集合离散度方面作用仍有限,主要原因在于其并没有针对性描述影响对流系统发生发展的关键物理过程的不确定性,仍然属于全球集合预报中天气尺度范畴。在回顾相关研究的同时,也提出了值得探索和研究的方向。