基于ECMWF的两种温度客观预报订正方法及评估

依据ECMWF细网格模式2019—2020年20:00起报未来24-216h的0.05×0.05°分辨率格点日最高、最低温度和国家气象信息中心格点温度实况资料，采用“动态训练、择优选取”的基本原则，利用递减平均法（DAM）和径向基函数神经网络方法（RBFNN）对温度进行客观预报订正，并与中央台指导预报（NMC）和EC模式预报产品进行格点检验对比分析。结果表明：（1）通过DAM和RBFNN订正后的24—216h日最高、最低温度预报准确率提高3.9～7.8%，均为“正”技巧，对预报准确率偏低的月份预报时效订正效果更显著，且夏、秋季最高温度预报订正效果较好，冬季最低温度订正能力较强；（2）分区域预报检验来看，订正后的最高、最低温度预报产品除沙坡头区的最高温度预报和贺兰山的最低温度预报误差偏大外，其他区域的误差基本都小于2℃，特别是对强降温、寒潮天气的温度预报订正效果明显优于NMC和EC模式预报产品，对预报业务有一定的参考价值。     

ECMWF细网格2 m温度预报产品在南疆西部温度预报中的释用

利用2016年1月1日—2018年12月31日ECMWF细网格模式2 m温度预报产品，使用三次多项式差值方法内插到站点，并用中短期天气预报检验方法，对南疆西部12个国家站与15个区域自动站共27个站的最高、最低气温未来24 h预报效果进行检验分析。结果表明：ECMWF细网格模式2 m温度预报产品对南疆西部非山区站未来24 h最高、最低气温的预报能力较好，对山区站未来24 h预报效果差；对南疆西部最高、最低气温的预报效果随季节变化，夏季预报准确率高于冬季，秋季预报准确率最低；模式最高气温预报准确率在降雪、高温天气时较高，最低气温预报准确率在降雨时较高，在高温过程中较低；模式对于降雨、降雪、大风/沙尘等天气最高气温预报偏低，高温事件中最高气温预报偏高。最低气温预报在降雨、高温天气中偏高，降雪时偏低，大风/沙尘天气最低气温预报偏东地区偏高、偏北地区偏低。降雪、高温天气预报相对降雨、大风/沙尘天气预报效果更稳定。     

EC细网格2m温度对沧州市的预报能力检验及订正

利用EC模式对2017年沧州市14个国家基本站2m最高、最低温度的24、48、72h预报结果,采用预报准确率、平均误差、平均绝对误差和皮尔森相关系数等统计方法进行检验及订正。结果表明:EC模式对不同预报时效预报准确率,最高温度模式20时起报高于08时,最低温度08时起报高于20时;随着预报时效的延长,模式预报准确率逐渐下降。预报准确率最高温度区域差异不明显,月际变化大;最低温度区域差异显著,月际变化不均。EC模式对沧州温度的预报误差主要由系统误差造成,温度预报绝大多数的大值误差出现在转折性天气阶段,当出现明显升温和高温时,最高温度预报偏低更明显,出现明显降温时,最低温度预报偏高。对2018年1-4月EC模式预报最高、最低温度进行系统和大误差订正检验,发现订正后预报效果更好。     

一个简单的格点温度预报订正方法

格点气象要素预报是中国气象局目前的主推业务和未来天气预报的发展方向。本文基于欧洲中期数值预报中心ECMWF高分辨率模式2 m温度预报资料,在传统中央气象台站点温度指导预报SCMOC和回归方法建立的站点温度预报的基础上,提出"站点订正值向格点传递"的方法来订正格点温度预报。结果表明:(1)SCMOC站点最高、最低温度24~168 h预报误差2℃准确率分别平均高于ECMWF的10.0%和23.1%,ECMWF存在较大的系统性偏差,最低温度预报偏高,最高温度预报偏低。(2)"站点订正值向格点传递"方法能够订正模式格点温度预报的系统误差,且整体上不改变原ECMWF温度预报场的空间形态和原模式对地形的刻画特征。(3)利用研究区域内98个县级站SCMOC温度预报,订正ECMWF格点场,返回到区域内1289个乡镇站进行检验,结果24 h最低、最高温度1℃的准确率较ECMWF分别提高22.8%和11.9%,2℃的准确率则分别提高29.7%和17.4%。最低(高)温度绝对误差平均减小0.99℃(0.69℃),平均误差(ME)下降到0.7℃(-0.9℃)以内。(4)通过一元线性回归,得到98个县级站的温度预报,返回差值场来订正格点场,也能较好地订正ECMWF的系统性误差。对比两种方法,SCMOC差值传递在最低温度订正方面有较大的优势,而回归方法的最高温度订正效果较好。此外,回归方法能够较好地改善逐时温度预报效果。该方法已成功运用于陕西省精细化格点预报业务系统中。     

基于GIS的山区精细化降雪预报平台设计与实现

利用近年的常规气象观测资料、协理员上报的雪深资料、自动站气象观测资料等,与EC、Japan、GFS等细网格预报产品和省级精细化指导预报产品进行对比,并建立预报性能较好的降雪预报产品,通过统计模型将模式精细化降雪预报产品进行自动订正,并将结果在预报平台中展示。该平台可进行图像交互及编辑订正,核心功能模块包括快速调阅和切换显示数值预报产品和MICAPS 4文件、图形编辑订正、订正产品输出。目前该平台已经应用于湖州市及3个县级气象台,预报改善效果明显,提升了山区降雪的预报准确性。     

细网格数值预报产品在精细化预报中的释用

利用齐齐哈尔市十个自动站降水和温度资料对2013年欧洲中心确定性模式高分辨率预报产品、东北半球T639数值产品、日本高分辨率大气模式产品和中央气象台的全国城市预报产品进行系统误差订正基础上,进行基于超级集合思想的多模式动态变权集成预报。结果表明:三种细网格和中央气象台的全国城市预报产品对齐齐哈尔地区的降水预报都存在着较多的空报现象;对四种模式预报进行集成平均,在齐齐哈尔地区预报效果极其有限;动态权重集成预报能够较好地利用各种数值预报的优势,从而得到质量好的定性预报产品。定性降水、最低温度和最高温度的集成预报比任何单一的数值预报成员TS预报评分都要高,尤其是最低温度预报质量得到了很大的提升,给预报员提供了很好的参考工具。     

营口地区气温差异分析及温差预报方法研究

选取2010—2011年2a的气象资料,对营口地区四测站的日最高、最低气温差值进行统计分析发现:营口市气象观测站受到海洋影响,气温变化有滞后效应,受太阳辐射的影响比其他三站晚一两个月左右,造成四测站5、6月最高温度温差最大,9、10月最低温度温差最大;同时由于受海洋影响较大,营口市气象观测站气温的日差和年差都较小,最高温度小于其他三站,而最低温度高于其他三站。利用逐步回归方法建立温差预报方程,并逐步进行订正,总结营口地区城市间温差的预报方法,以提高温度预报准确率。应用2009年全年的资料对温差预报方法进行检验,结果表明此方法在温度预报中具有一定的参考价值。     

基于多神经网络的动态权重集成温度预报订正研究

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明：(1) 在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、WAVENN、GRNN、LSTM等神经网络订正,2020年贵州省0～72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低0.01～0.17 ℃;(2) 考虑到不同神经网络订正结果的差异性,采用动态权重方案对订正结果进行优势集成可显著提升预报可靠性。经集成后的温度预报效果优于模式直接输出和各神经网络订正结果,2020年贵州省0～72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低14.93%,预报准确率提升8.24%。此外,动态权重集成后的订正结果还表现出较好的稳定性。基于该方法形成的本地化客观预报订正产品可为提升贵州复杂地形下温度预报质量以及精细化预报服务水平提供参考依据。     

黄陵乡镇24小时气温预报方法探讨

利用黄陵县1971—2014年逐年逐月最高、最低气温资料和腰坪乡、店头镇、隆坊镇、田庄乡2011—2014年自动站气温资料,将黄陵县各乡镇依据海拔高度、地貌和温度分布划分为五个气候区域,通过对比分析乡镇代表点与县站气温资料,发现各乡镇与县站的气温差值随地形、海拔、季节不同差异明显。气候差异订正法和变温订正法相比,气候差异订正法预报正确率较变温订正法预报准确率高。可供县气象站制作乡镇温度预报时参考。     

北京地区温度要素模式预报和客观方法检验评估

利用2018年10月1日至2019年9月30日北京地区55个地面气象站的实况观测数据对欧洲中期天气预报中心的全球预报（ECMWF thin）、国家气象中心区域预报（Grapes）、北京睿图（RMAPS）、国家级指导预报（SCMOC）、北京智能网格温度客观预报（BJTM）和集合相似预报（AnEn）的逐日最高、最低气温预报结果进行检验评估。结果表明：①ECMWF thin模式预报效果优于Grapes和RMAPS，客观方法BJTM和AnEn对ECMWF thin的改进效果明显。②AnEn在10月至次年4月预报效果好，BJTM在5—9月预报效果好；不同预报时效中，AnEn在短期、中期前段预报效果较好，BJTM在中期5～9 d预报效果相对较好。③以南郊观象台为代表站进行检验，结果显示模式预报均存在明显的系统偏差，客观方法对系统偏差有很好的订正效果。④在降水、大风或无天气系统时，BJTM、AnEn的日最高温度预报准确率较高；雾霾天气背景下，ECMWF thin的最高温度预报准确率较高。雾霾、大风和无天气系统时，ECMWF thin最低温度预报偏差最小，客观方法对模式预报无改进；降水天气背景下，RMAPS和BJTM对最低温度的预报偏差最小。     

晴雨(雪) 和气温预报评分方法的初步研究

利用全国逐日天气预报产品和对应实况数据, 分析了目前普遍使用的晴雨(雪) 和气温预报评分方法存在的问题, 并进行了改进尝试和研究。结果表明:由于没有考虑降水概率的影响, 在降水概率全国差异较大的多数月份, 晴雨(雪) 预报正确率与单站无降水频率表现为正相关, 具有无降水频率越大评分越高的趋势; 采用绝对标准值(1 ℃或2 ℃) 作为阈值进行气温预报准确率评分, 评分结果与气温日际变化呈明显负相关, 气温日际变化偏小则评分值偏高的趋势比较明显。该文提出的晴雨(雪) 和气温预报改进评分方法能有效减少降水概率和气温日际变化对晴雨(雪) 和气温预报评分的影响, 提高不同气候背景地区天气预报评分结果的可比性, 在天气预报质量检验和评估业务中具有一定的应用和推广价值。     

基于T639数值预报产品的气温本地化应用及检验

基于T639数值预报产品下发的多个物理量资料,利用多元回归方法,开展本地化的分县气温客观预报方法研究,结合常规气象观测资料、美国NCEP/NCAR 1°×1°网格点逐6 h再分析资料,开展业务应用并进行了效果检验,得出以下结论:最低气温预报准确率要好于最高气温,同时夏季的气温预报也明显好于其他季节;在最高气温中对扬中的预报准确率高于其他站点,在最低气温中对丹阳的预报效果相对比较好;客观预报方法存在明显的系统性负偏差,通过使用每个预报时效预报误差的7 d滑动平均进行订正,结果表明通过订正,预报效果有所提高,特别是最高气温订正效果较明显;通过主客观预报准确率的对比分析,发现虽然客观预报对最高气温的预报效果比较差,但是在气温趋势预报上具有一定的参考价值;最低气温客观预报准确率明显高于江苏省的平均水平,和主观预报相比,虽然仍然低于主观预报水平,但是差距不大,基本上可以替代主观预报;分县气温客观预报方法对高温、寒潮等灾害性天气具有一定的预报能力,但是和实况相比,预报强度偏弱.     

降雪含水比研究进展

降雪深度预报与定量降水预报(QPF)一样是冬季天气预报最重要的业务之一,而降雪含水比是降雪深度预报中所必须的重要参数,国外一般多将其称为snow-to-liquid ratio(SLR)。本文回顾了过去几十年来国内外在SLR的变化特征、影响因素等方面的主要研究进展,并对其预报技术和方法进行了总结和比较。研究表明:SLR具有明显的时间变化,并且存在季节和空间分布差异;大气温度和相对湿度是影响SLR的两个最重要气象因子,气压、垂直运动等气象因素,以及地表风、积雪自重、太阳辐射和积雪融化也会不同程度地影响SLR;随着预报技术的发展,SLR的预报方法可概括为气候学的、统计学的和基于物理基础的三类预报方法,气候学方法过于简单化,统计学方法的应用提高了SLR的预报能力,但仍无法摆脱统计方法自身的缺陷,比较而言,基于数值模式的瞬时预报更符合未来雪深预报业务的精细化发展趋势;目前,国内降雪深度观测资料较少、观测频率较低,有效开展地面降雪和探空加密观测,解决观测资料不足是今后SLR研究中亟待解决的问题;基于数值天气预报业务模式,探索气象因子对SLR的影响机理,建立适合我国冬季天气预报业务需求的降雪预报系统是未来的发展方向。     

多模式温度集成预报的检验分析

该文利用C#程序语言逐日读取欧洲数值预报模式(Ec)、中国数值预报模式(T639)、德国天气在线(ZX)、美国天气(MG)、中国天气(ZG)、中央气象台指导预报(ZY)6家模式预报的日最高气温(Tg)和日最低气温(Td)预报值,建立预报数据库。使用LINEST函数对Tg和Td做多元回归分析,得出6家模式的集成预报结果,结果表明:集成预报(JC)比6家模式预报准确率都高;同时,建立本地化订正方法,将原6家模式Tg和Td进行订正后再集成,结果表明:订正后的集成比直接集成准确率提高了0%～4%,说明订正方法的使用对提高气温预报准确率有一定的效果。另外,通过对各家模式预报结果和集成预报结果的检验分析,不仅为预报员择优使用数值预报产品提供参考依据,也为数值预报产品释用提供一定的参考方法。     

EC细网格对黔南州温度预报的订正研究

该文采用EC细网格2 m温度预报场及国家站实况资料,通过滑动平均法、双权重滑动平均法、多项式拟合法以及最佳系数法对EC细网格2 m温度在黔南州的预报进行订正分析,结果显示:4种方法订正后最高气温7 d平均准确率分别提升了12.70%~17.84%,最低气温7 d平均准确率分别提升了1.14%~2.86%。对于高温预报,最佳系数法订正效果最优,其次是多项式拟合法,对于最低气温,前3 d采用滑动平均法订正效果最明显,第4 d开始则采用最佳系数法订正,订正效果更明显。4种订正方法均在7-9月效果最明显。黔南州西部及中部地区多项式拟合法订正效果更好,州东南部地区最佳系数法与滑动平均法订正效果更好,但在120 h时效后滑动平均法的订正效果明显下降,州北部地区最佳系数法订正效果更为明显。     

WRF模式2m温度在山东预报效果的评估

利用山东省内123个国家气象站2017年11月至2018年2月逐时观测地面温度对WRF模式08：00和20：00起报的2 m温度进行检验,评估了预报时效为72 h的逐时温度与日最低（高）温度的预报效果并初步分析了个别站点大值误差成因。结果表明：WRF模式08：00起报2 m温度的准确率要高于20：00起报,白天预报的效果优于夜晚;鲁西北和半岛地区的2 m预报温度的平均绝对误差总体低于鲁中和鲁南地区,全省大部分站点负误差比例高于正误差比例;WRF模式对于日最高温度的预报效果优于日最低温度;模式地形高度误差造成泰山站2 m预报温度正误差较大,基于两种温度梯度方案对泰山站2 m温度进行订正,订正后的平均绝对误差总体下降,利用单一的温度梯度在有的预报时刻出现负的订正效果,利用随预报时刻变化而变化的温度梯度在各预报时刻订正效果更为稳定;泰安站出现焚风时2 m预报温度有较大负误差,这主要是受WRF模式泰山站地形高度误差影响;WRF模式在微山湖区域土地类型与真实土地类型存在差异是薛城站夜间2 m温度负误差较大的重要因素之一。     

降水邻域集合概率方法尺度敏感性试验

降水邻域集合概率法是处理高分辨率降水集合预报不确定性的一种新方法。利用2017年5~7月GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)区域集合预报系统24 h降水预报资料,进行GRAPES降水邻域集合概率方法试验,并针对邻域概率法的等权重和邻域尺度问题,设计了邻域格点权重修正邻域方案以及二分类权重修正邻域方案,进行降水的集合概率法、等权重邻域集合概率方法、权重修正邻域集合概率方法和二分类权重修正邻域集合概率方法等四种方法的格点相关及敏感性试验,并利用多种概率预报检验评分评估上述四种方法的预报效果。试验结果表明:(1)尽管采用邻域计算方案的三种邻域集合概率方法的降水概率预报评分各有优劣,如等权重邻域集合概率法的相对作用特征曲线面积评分略优,而权重修正邻域集合概率法和二分类权重修正邻域集合概率法的降水概率预报可靠性更高,但采用了邻域计算方案的降水概率预报评分均优于传统的集合概率方法;(2)降水邻域集合概率方法的预报技巧对邻域尺度很敏感,统计评分最优的邻域半径为5~8倍模式水平格距;(3)引入了权重修正的两个邻域集合概率预报方法在24 h降水量超过10 mm时改进较明显,能够提供更加客观的概率预报结果。总体上看,降水邻域集合概率方法具有较好的应用前景,恰当的邻域概率方法及邻域半径可以获得更合理的降水概率预报结果。     

基于小波分析的客观预报方法在智能网格高低温预报中的应用

基于2017—2018年中国气象局高分辨率数值预报产品、甘肃实时城镇预报产品和国家级地面观测站数据,利用小波分析、滑动训练、最优融合等技术,研发出甘肃省智能网格高低温客观订正产品。检验分析表明:城镇预报产品、滑动训练订正产品、最优融合产品3种订正产品对CMA预报均有订正能力,3种客观订正产品的最高气温订正能力强于最低气温订正能力;滑动训练法与最优融合法产生的高低温订正产品,在系统误差明显地区(甘南、陇南等)的预报结果要好于模式客观预报,而高低温城镇预报产品在气温局地性强或者模式客观预报能力差的区域有优势;最优融合预报方法生成的高低温产品预报能力略高于滑动训练订正产品且与现有预报员制作城镇预报产品基本持平,初步具备了替代主观预报的能力。     

辽宁地区ECMWF模式气温预报检验及误差订正研究

利用2016—2018年ECMWF细网格模式12—36 h内2 m温度预报产品,选取辽宁地区65个城镇站点观测资料,评估预报产品在不同季节的预报准确率,并按季节分析固定误差订正方法和最优滑动周期订正方法对提高准确率的作用。结果表明：ECMWF模式预报产品对辽宁地区气温预报的准确率表现为,ECMWF模式最高气温冬季预报最优(城镇站点预报准确率为81.5%),最低气温夏季预报最好(城镇站点预报准确率为84.3%);采用最优滑动周期订正后,2016—2018年辽宁地区的最高气温和最低气温准确率较ECMWF模式自身分别提高了19.7%和20.5%,最低气温的预报准确率提高程度优于最高气温;在整个空间分布中,ECMWF模式对辽宁中部平原地区最高(低)气温预报准确率高于东、西部地区,辽宁东北部和西南部以及东南部的长白山余脉影响区域准确率明显低于其他区域。同时,在各季中,最高气温和夏季最低气温的订正预报能力优于其他季节;在地面晴、雨两种特征下,对辽宁地区24 h气温预报进行订正检验表明,该检验结果对辽宁地区最高(低)气温订正有一定补充作用,尤其是冬季降水出现时,最高气温预报补充订正效果最为显著。     

华南3 km高分辨率区域模式气温预报在贵州的质量检验

利用2018年1—10月华南3 km区域高分辨率模式08时、20时起报的气温预报和实况资料,采用线性内插法进行站点预报值处理,并从平均均方根误差及预报准确率的角度,检验分析了贵州省72 h预报内逐24 h最高(低)气温预报质量。结果表明,72 h内随着预报时效的增加,预报准确率差异较小;日最低气温预报准确率相对最高气温平均高出20%左右;08时起报的最高(低)气温预报优于20时的。同时发现,最高(低)气温的预报能力在月份上存在明显差异,6—8月预报性能总体优于其它月份;在24~48 h预报中,东北—西南向一带较贵州其它区域展现出更高的预报能力。在9个主要城市站上,最高(低)气温均表现出较高的预报技巧,其中,20时起报的兴义站24 h最低气温准确率100%。通过对2018年7月18日气温预报质量检验,最高(低)气温及35.0℃以上高温事件预报准确率均在80%左右,较好反映了天气实况。因此,华南3 km高分辨率区域模式对贵州气温预报具有较好的参考价值。