降水集合预报集成方法研究

基于TIGGE(the THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,对中国气象局(CMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、美国国家环境预报中心(NCEP)和日本气象厅(JMA)的集合数值预报结果进行降水集成.采用算术平均法、TS评分集成法和BS评分集成法在我国东南地区进行降水集成,对比分析结果表明:基于TS评分的多模式降水集成无论在分区降水评分中,还是在东南地区的台风型降水和非台风型降水实例中,都有效地改进了大雨以上的降水预报效果;基于BS评分的集成方法和算数平均集成法预报效果次之.东南地区5个子区域的降水集成试验结果表明:各子区域基于TS评分集成后降水的平均绝对误差普遍小于基于BS评分后的降水平均绝对误差.广东东南和浙江北部区域基于TS集成后的降水TS评分值最优,浙闽沿海和广东西北部区域基于TS集成后的降水TS评分次之,处于中上水平.基于算术平均集成和BS集成的降水的TS评分值只有在广东东南区域表现出较好的效果.     

基于降水极端预报指数的福建台风极端降水预报研究

应用1961—2017年中国气象局热带气旋最佳路径数据集、国家地面气象观测站日降水观测资料和2015年8月—2017年12月欧洲中期天气预报中心（ECMWF）集合预报系统降水极端预报指数（EFI）数据,根据百分位法定义台风影响期间福建省各站点的台风极端降水阈值,采用最小阈值法剔除台风极端降水时EFI箱线图中的异常值,保留最小值作为台风极端降水EFI阈值,建立基于EFI阈值的台风极端降水预报方法。用该方法分别对2015年8月—2017年12月和2018年登陆或影响福建台风进行台风极端降水回报和预报试验,采用TS、空报率、漏报率对回报和预报结果进行检验。结果表明:福建台风极端降水阈值由沿海向西北内陆逐渐减小,其中中北部沿海地区的阈值最大;台风日降水量与日降水EFI预报、台风极端降水时的日降水量与日降水EFI预报均存在明显的正相关,日降水EFI预报的箱线图差异指数（I_bd）也表明EFI可以较好地区分台风极端降水和非极端降水;预报试验20时（北京时）起报时效12—36、36—60、60—84和84—108 h的台风极端降水预报TS分别达到0.26、0.22、0.20和0.19,总体上略优于回报试验;台风极端降水越显著,台风极端降水预报效果越好,回报和预报都存在的不足是空报率高,主要出现在台风极端降水不明显的个例中。降水EFI预报对台风极端降水预报具有较好的指示意义,基于降水EFI阈值的台风极端降水预报产品可在业务中作为台风极端降水预报的参考。      

1992年16号台风的数值研究

利用北京大学地球物理系暴雨监测与预报国家重点实验室发展的有限区域数值预报模式，对１９９２年１６号台风进行了１２ｈ数值模拟。时间是从８月３１日１２时（世界时）到９月１日００时。结果显示：模式预报的台风和实际台风的移动方向一致，移动距离相当。模式清楚地预报出了由台风倒槽所造成的强降水。这表明模式对台风路径、台风降水等都有较强的预报能力。还进行了对比实验，研究地形和积云对流等对登陆台风发展和降水的影响。结果表明：地形对台风的位置和降水有重大影响，积云对流除了对台风强度有影响之外，对台风环流的位置和台风的移动速度也有影响。     

资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

2019年影响中国台风的降水预报误差及其来源研究

针对2019年影响中国的8个台风,利用面向降水对象的CRA(contiguous rain area)方法研究了欧洲中期天气预报中心确定性预报的降水误差来源,及其在不同预报时段和降水量级下的变化趋势,分析了台风路径预报误差与降水对象的CRA位置误差之间的相关性,对比计算了台风路径修正与CRA shifting方法对于改进降水预报的作用,并评估了台风降水概率分布、径向分布和非对称分布的预报误差。结果表明:总体而言,台风降水预报的主要误差来自于位置误差和形态误差;除特大量级降水以外,台风降水对象的CRA位置误差与路径误差显著相关,通过修正台风路径能改进降水预报,但其效果要逊于CRA shifting方法;预报的台风降水概率密度分布形态与观测总体上较为一致,但台风核心区内的预报降水强度均大于观测;台风登陆或靠近我国沿海前后,预报降水较观测更靠近台风中心,且略滞后于观测,预报降水的非对称性明显弱于观测。     

深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报的检验评估

目前数值模式对台风降水预报的准确率仍有待提高。为了评估深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报能力,选取了2015—2018年共14个影响广东台风个例,利用广东省2 300多个自动气象观测站的24小时累计降水观测资料,检验该系统的集合预报方法(含集合平均方法和概率匹配平均方法)和控制预报方法的24小时降水预报结果。(1)系统对台风24小时降水预报具有较好参考价值,三种方法的暴雨等级预报TS评分均达到0.39以上。(2)集合预报方法总体上优于控制预报方法,可改善珠江口两侧暴雨中心降水预报。其中集合平均方法总体预报效果最好,其降水预报均方根误差为38.1 mm,比控制预报方法减少18.8%,对暴雨等级预报TS评分为0.469比控制,预报方法提升20.1%,但是对特大暴雨等级预报能力不足;而概率匹配平均方法改善了小雨和特大暴雨的预报能力。(3)系统对较强台风的降水预报能力优于弱台风。在较强台风情形下,系统对粤东暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报方法偏差最大,其他地方降水预报偏大为主;在弱台风情形下,系统对降水预报存在明显系统性偏大,但对粤西暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报偏差最大。      

集成方法在高原降水预报中的应用研究

本文对1991～2000年各月西宁等站的降水和气温预报进行了评分，并根据它们的评分结果，选取了最优子集回归、高次多项式、均生函数等7种预报方法作为集成预报的预报因子。通过降水试报得出，一元回归集成、权重集成、最优子集集成的趋势评分均超过了82％，降水预报集成后的趋势评分比单个预报方法的平均评分至少提高了15～25个百分点。     

地形对9216号台风暴雨增幅影响的数值研究

利用一个具有三重水平结构的台风数值模式，就地形对９２１６号台风暴雨增幅的影响作了有、无地形的对比数值研究。结果表明：（１）模式的三重结构能较成功地考虑不同尺度的地形，既能考虑关键区的细致结构，又能考虑大尺度环境流场的影响，能较成功地预报出台风路径、大风及雨分布；（２）地形作用改善了对流降水条件，中低层幅合上升比无地形有很大加强，台风登陆后在山脉迎风坡地区降水增幅显著，且对流性降水占较大比重，取消地     

台风“巴威”不同类型降水多模式预报与空间检验对比评估

以传统的检验方法和基于对象诊断评估方法(MODE), 对首次以台风级别影响辽宁的“巴威”台风(2008)的台风暴雨过程不同性质降水的多模式(ECMWF、CMA_MESO 10KM、CMA_MESO 3km和睿图东北模式)预报结果进行了检验评估。结果表明: 受“巴威”远距离和本体影响, 辽宁省先后出现对流型降水和稳定型降水, 传统检验和MODE检验结果均表明, 多模式的对流型降水预报效果要优于稳定型降水, 这很可能是多模式对于台风北上减弱产生稳定型降水的影响系统的预报强度偏差大导致, 在今后预报中务必注意台风强度预报偏差对本体稳定型为主的降水的影响。传统检验结果中, CMA_MESO 3km和ECMWF模式的评分较高, 并且对于对流型降水雨带的形状、范围和质心距离、交集面积预报效果最好, ECMWF模式对稳定型降水也有着较高的目标相似度评分。尽管睿图东北模式由于对10.0 mm以上量级降水较高的空报和漏报率, 而导致TS评分偏低; 但在MODE检验结果中, 东北模式预报的强降水雨带的中心位置、降水强度和范围均接近实况, 目标相似度更高, 尤其在对流型降水阶段目标相似度达到了1.00, 模式对于对流型降水预报有着较好的可参考性。     

基于ECMWF模式预报的台风降水地形订正方法

为了解决复杂地形条件下ECMWF模式预报的台风降水较实况显著小的问题,对Smith 1979年提出的地形降水方程进行改进,提出以饱和湿层高度作为方程积分上限,针对不同高度地形设定不同的降水效率;以无量纲湿弗劳德数大于1作为有、无地形降水的判据;利用ECWMF细网格预报场,通过迎风坡地形降水估算方程来订正模式预报的台风降水。用该地形降水订正方法对1617号台风“鲇鱼”的降水进行了订正预报。结果表明,虽然在一些小尺度地形区域会产生明显的空报,但是对于大尺度地形区域的强降水有显著的订正效果。对1513、1521和1614台风的订正结果进一步表明,该地形降水订正方法对改进台风极端降水预报效果显著。需要指出的是,采用的地形降水订正方法仅考虑了稳定条件下的地形降水,对于其他情形下的地形降水订正方法尚待进一步的研究。      

积云参数化对0613号台风“珊珊”数值模拟的影响研究

使用W RF的ARW动力核心模拟台风"珊珊",以研究各种积云参数化方案对于台风路径,强度和降水分布等的影响。研究表明,环境场对积云参数化的选取不敏感,积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显的影响,KF方案模拟的台风强度较强,增强过程明显,后期移速偏快。KF和BM J对降水的模拟较好,GD方案不够理想。     

用一种新的同化方法同化降水量资料

Observations of accumulated precipitation are extremely valuable for effectively improving rainfall analysis and forecast. It is, however, difficult to use such observations directly through sequential assimilation methods, such as three-dimensional variational data assimilation or an Ensemble Kalman Filter. In this study, the authors illustrate a new approach that makes effective use of precipitation data to improve rainfall forecast. The new method directly obtains an optimal solution in a reduced space by fitting observations with historical time series generated by the model; it also avoids the implementation of tangent linear model and its adjoint. A lot of historical samples are produced as the ensemble of precipitation observations with the fully nonlinear forecast model. The results show that the new approach is capable of extracting information from precipitation observations to improve the analysis and forecast. This method provides comparable performance with the standard four- dimensional variational data assimilation at a much lower computational cost.     

THE IMPACT OF HORIZONTAL RESOLUTION ON THE INTENSITY AND MICROSTRUCTURE OF SUPER TYPHOON USAGI

Typhoon Usagi (1319) was simulated by using the Advanced Weather Research and Forecasting numerical model (WRF) with different horizontal resolution to understand the impact of horizontal resolution on the intensity and characteristics of typhoon’s microstructures (including dynamic and microphysical structure). The simulated results show that the improvement of horizontal resolution from 5 km to 1 km has little impact on the track which is comparable to real results, but has a significant impact on the intensity and microstructures, and especially, the impact on wind speed at 10 m height, the vertical movement and precipitation intensity is the greatest. When the resolution is increased to 1 km, the intensity and characteristics of typhoon’s microstructures can be simulated better. In lower resolution simulations, some structural characteristics, including more asymmetrical and more outward tilted eyewall, and less water vapor flux on sea surface, work together to weaken typhoon intensity.     

AN ANALYSIS OF THE ASYMMETRICAL STRUCTURE OF TYPHOON AERE'S PRECIPITATION

The structural characteristics of 2004 typhoon Aere's precipitation are analyzed using the high-resolution data from the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM) of the National Aeronautics Space Administration(NASA).It is found that the typhoon's characteristics vary at different stages of its development.To analyze the asymmetric causation of precipitation distribution,data from the National Center for Environmental Prediction(NCEP) reanalysis are used to calculate the vertical integral of the water vapo...     

环境场大尺度锋面系统与变性台风结构特征及其暴雨的形成

本文将登陆台风环境大尺度锋面系统动力、热力结构作为台风变性发展的关键影响因子。本文的分析研究揭示了变性台风半冷半暖的热力非对称结构,及其演变过程气压谷型、动能峰型、降水增幅特征形成的环境场影响因子。本文的数值试验表明,台风环境场斜压结构（锋面特征）可以显著地影响台风变性过程,并可导致台风中心气压呈“谷型”、动能“锋型”以及热力非对称结构特征。引起台风变性涡旋加强及其暴雨增幅现象或台风衰减、消亡。本文的数值试验证实了登陆台风变性发展的某些成因,某种程度揭示了中低纬度系统的相互作用的机理问题。     

A CRPS-Based Spatial Technique for the Verification of Ensemble Precipitation Forecasts

Traditional precipitation skill scores are affected by the well-known“double penalty”problem caused by the slight spatial or temporal mismatches between forecasts and observations. The fuzzy (neighborhood) method has been proposed for deterministic simulations and shown some ability to solve this problem. The increasing resolution of ensemble forecasts of precipitation means that they now have similar problems as deterministic forecasts. We developed an ensemble precipitation verification skill score, i.e., the Spatial Continuous Ranked Probability Score (SCRPS), and used it to extend spatial verification from deterministic into ensemble forecasts. The SCRPS is a spatial technique based on the Continuous Ranked Probability Score (CRPS) and the fuzzy method. A fast binomial random variation generator was used to obtain random indexes based on the climatological mean observed frequency, which were then used in the reference score to calculate the skill score of the SCRPS. The verification results obtained using daily forecast products from the ECMWF ensemble forecasts and quantitative precipitation estimation products from the OPERA datasets during June-August 2018 shows that the spatial score is not affected by the number of ensemble forecast members and that a consistent assessment can be obtained. The score can reflect the performance of ensemble forecasts in modeling precipitation and thus can be widely used.     

DIAGNOSIS OF TYPHOON SPIRAL CLOUD BAND AT SEA WITH SSM/I IMAGE

This paper describes the characteristics of the Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) onboard the Defense Meteorological Satellite Program (DMSP),analyzes absorbing,re-emitting and scattering effects of the atmospheric particles (especially cloud particles and rain drops).The inner physical cause of typhoon's representative form on microwave images is revealed.An index of particle size is then induced as such:Symmetrically inverse channel 85H's (85H is an abbreviation for channel 85.5 GHz in horizontal polarization,see Table 1 in the text.) absorption segment and put it into the extension of the scattering segment.The precipitation index was formed as the average of three elements:normalized 19H,normalized 37H,and inversed normalized 85H.It is approved that the image of particle size index overcomes some shortcomings of the single raw channel,such as:37H is not sensitive to large rain drops,85H is not sensitive to mid-size rain drops and can reveal typhoon's spiral structure more clearly.     

ECMWF集合预报系统对秦岭周边地区降水确定性预报的性能分析

尽管确定性预报不是集合预报系统(EPS)的主要目的和应用方向,但其每一个成员的预报表现决定了集合预报系统的预报性能,集合平均也是实际预报业务的一个重要参考指标。为此,利用2013~2015年5~10月的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)集合预报系统的降水预报资料,CMORPH(NOAA Climate Prediction Center Morphing Method)卫星与全国3×10~4余个自动气象观测站的逐小时降水量融合资料,研究ECMWF集合预报系统对秦岭周边地区逐日降水的控制预报、成员预报、集合平均的预报能力,并探索提高降水集合平均预报性能的有效方法。主要结论如下:(1)无论是集合平均还是控制预报,整体上都较好的刻画了秦岭周边地区降水的空间形态,比较而言,控制预报能够更好的表现了降水的方差变化。(2)泰勒分析表明,集合平均的降水方差随预报时效增加单调减小,控制预报的方差变化随预报时效的增长振荡较小,其相关系数略优于集合平均。(3)技巧评分表明,集合平均使小雨(降水发生频次)的预报偏差显著增加,增大了空报率;使大雨以上的降水预报偏差减小,增大了漏报率,从而使得大多数情况下,集合平均TS(Threat Score)、ETS(Equitable Threat Score)评分低于控制及扰动成员预报。分析认为这主要是由于降水这一要素的偏态分布特性引起的。(4)集合平均的显著贡献在于能够较好的指示可能发生降水的空间位置。通过阈值限定,调整预报偏差,减少(增大)其对小雨(暴雨)的预报频率,能够使集合平均的TS、ETS评分大幅度提升,预报技巧显著优于成员预报和控制预报。目前,预报偏差Bias订正方法已成功应用于陕西省精细化格点预报系统中。     

支持向量机方法在单站降水预报中的应用探讨

将武汉天空云量预报的81个预报因子运用到该站中等以上强度的降水预报中,基于SVM方法进行了交叉验证和预报试验。结果表明用81个预报因子建立的5～9月和全样本的降水预报模型有较好稳定性、且对降水都有正的预报技巧。因此天空云量的预报因子可以用来做降水的预报因子,同时也证明了这些预报因子在天空云量和降水预报中是协调的。SVM方法为天空云量和降水的预报提供了客观参考依据。     

T213数值预报产品在白银市盛夏中雨以上降水中的释用技术

基于MICAPS系统,利用T213数值预报格点资料、预报关键区34个站点的高空资料以及市内4县区不同时次的本站气压和日降水量资料,通过分析白银市中雨以上降水的天气特征,归纳出中雨以上降水的天气形势,并据此进行客观定量化分型;选取对白银市中雨以上降水具有明显物理意义的消空指标和预报因子,利用PP数值释用方法,建立了白银市盛夏中雨以上降水的短期预报模型。对2007年6～8月进行试报,预报准确率平均达66.7%,预报效果较好。