GRAPES区域集合预报系统对登陆台风预报的检验评估

针对2015年7—9月登陆中国大陆沿海的台风,利用GRAPES-REPS区域集合预报资料和集合统计诊断分析方法,对登陆台风的移动路径、时间、地点、强度和降水等进行检验评估,以期为预报员应用GRAPES登陆台风概率预报提供依据。检验结果表明,(1)集合平均移动路径要优于控制预报,集合预报各成员登陆地点存在20~340 km差异,但实况登陆地点均能落在集合成员登陆地点中。(2)对24 h和48 h登陆地点误差而言,集合平均较控制预报更接近实况。(3)随着预报时间的趋近,集合平均、控制预报和集合成员登陆地点距离误差逐渐缩小,登陆地点空间位置预报也没有明显的系统性误差。(4)集合成员对台风登陆时间预报偏早,平均提前2.3 h。(5)在强度预报中,尽管最低气压和近中心最大风速存在登陆前偏弱而登陆后偏强的趋势,但登陆点预报值区间包含了实况观测值,表明GRAPES-REPS集合预报能够较好展示多种可能信息。(6)不同量级降水AROC评分为0.56~0.76,具有预报参考价值;另外AROC评分的高低及台风暴雨落区的准确性与台风登陆点和登陆时间误差密切相关。可见,GRAPES-REPS区域集合预报可以在台风登陆地点、时间、强度和降水预报等方面提供更多的预报不确定性信息,有助于做出正确的预报决策。      

基于神威中期集合数值预报系统的产品开发

利用我国神威中期集合数值预报系统 32 个成员的输出资料, 根据预报业务的需要, 开发出新的集合预报产品。 其产品有 500 hPa 高度场分簇和特征等高线面条图、关键点 850 hPa 温度的概率烟羽图和温度变化趋势图、全国省会城市的要素预报分布图。     

一次登陆台风的集合预报试验

选取0713号台风"韦帕"临近登陆过程为试验个例,在GRAPES_TCM模式基础上,采用增长模繁殖法(BGM)分别对台风涡旋场和环境场进行扰动来构造集合成员,进行集合预报,作为对台风数值预报方法的一种新的尝试。试验结果表明:通过BGM的动力调整后,成员间体现出不同的扰动形态,使得在后期的预报中产生合适的集合离散度。在台风登陆前后,大尺度平均位势高度场和风场以及集合系统的离散度均发生了明显的变化,可以看到大尺度环境场引导作用的差异使得成员间对台风路径的预报各不相同,体现了预报的不确定性。对路径预报而言,简单的算术平均并没有优于控制预报的表现,但通过聚类分析后,可以提高集合产品的使用效率。从中可以得到一点启发:怎样利用集合系统提供的大量信息值得进一步思考,聚类分析不失为一种改善集合预报产品利用效率的有效方法。     

基于BGM与ETKF的台风"苏拉"(1209)集合预报的对比试验Ⅰ:路径预报

采用FNL再分析资料和美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)资料,运用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式,分别使用增长模繁殖法(Breeding of Growing Mode,BGM)和集合卡尔曼变换方法(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF),对1209号台风"苏拉"进行了台风路径的集合预报试验,并对预报效果进行对比分析。结果表明:采用BGM或ETKF初始扰动的集合预报系统,集合平均预报对风场、温度场、位势高度场的预报效果均优于控制预报;ETKF方法的预报改进程度较BGM方法更大,且对风场和温度场预报技巧的优势尤为明显。BGM方法所得到的集合成员离散度小于ETKF方法,对大气真实状态的表征能力不及后者;两种扰动方法的集合平均都明显改善了台风"苏拉"的路径预报结果,尤其是控制预报在福建沿海第二次登陆后移速过快的问题,但对台风登陆位置预报的改进不明显;此外,采用ETKF方法的集合平均对台风"苏拉"路径预报的改进效果远优于采用BGM方法的集合平均预报。     

面向台风暴雨的集合预报成员优选订正技术研究及应用试验

本文以2013—2015年主要登陆台风暴雨过程为研究对象,利用ECMWF降水和台风路径集合预报以及中央气象台实时业务台风中心定位资料,在统计分析的基础上,提出一种业务上可用的针对单模式集合预报的台风降水实时订正技术(简称集合成员优选技术)。结果表明,在登陆台风暴雨过程预报中,集合成员优选技术对改进集合统计量降水产品有明显的帮助,并较ECMWF确定性预报产品有一定优势;该方法对改进短期时效预报产品的效果优于中期时效预报,对大暴雨评分的改进高于暴雨和大雨评分。另外,本文基于概率匹配平均(Probability Matching average,PM)和融合(FUSE)产品的计算原理,提出融合匹配平均(Fuse Matching average,FM)产品,结果表明,对36 h时效预报,优选10~15个成员的PM产品TS(Threat Scores)评分可达最优,大暴雨评分较确定性预报提高近10%;对60和84 h时效预报,FM产品大暴雨评分较确定性预报提高超过20%。     

台风路径集合预报试验

基于T63L9模式,利用BGM法进行了台风路径的集合预报试验,并对集合预报中的一个关键技术—繁殖长度进行了研究。结果表明:相对于控制预报,利用增长模繁殖法制作的集合预报对台风路径预报的技巧水平有了很大提高。集合预报中采用不同的繁殖长度对台风路径预报效果有一定影响。繁殖长度取2 d和3 d集合预报效果相对于控制预报都有很大提高。繁殖长度取为2 d时,集合离散度较小,取为3 d时较合理,取为4 d时,离散度较大。对台风路径的预报采用集合选择平均后,繁殖2 d和繁殖3 d的集合预报系统的预报效果都优于控制预报。从综合集合预报效果分析,繁殖长度取为3 d更合适。当集合预报中繁殖长度取为3 d时,在预报的前3天,台风路径集合预报误差基本维持在100 km,第4天误差也只接近300 km。相对于控制预报,集合预报的改进率在预报的2～4 d基本超过了60%,甚至可达到70%。     

中尺度集合预报的二阶矩离散度订正研究

利用类似KALMAN滤波的自适应误差订正方法对中国国家气象中心的中尺度集合预报系统2m温度预报做二阶矩离散度订正研究.通过对预报结果,尤其是概率预报结果比较详尽的检验分析,评价二阶矩订正对离散度的调整效果.结果表明:经过二阶矩订正后,2m温度的订正效果较为显著,集合成员预报的PDF分布比较一致,CRPS也比订正前减小了;预报的离散度得到合理的增大且与均方根误差较为接近,预报可靠性提高;无论是集合平均预报还是概率预报,预报能力都明显提高; 另外,针对集合概率预报可靠性的talagrand分布,针对集合预报分辨能力的roc分析和EV分析,以及概率预报评分bs、bss都从各自的角度证明了误差订正的效果,订正后预报能力大为提高.     

热带气旋奇异向量在GRAPES全球集合预报中的初步应用

基于副热带奇异向量的初值扰动方法已应用于GRAPES （Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统,但存在热带气旋预报路径离散度不足的问题。通过分析发现,热带气旋附近区域初值扰动结构不合理导致预报集合不能较好地估计热带气旋预报的不确定性,是路径集合离散度不足的可能原因之一。通过建立热带气旋奇异向量求解方案,将热带气旋奇异向量和副热带奇异向量共同线性组合生成初值扰动,以弥补热带气旋区域初值扰动结构不合理这一缺陷,进而改进热带气旋集合预报效果。利用GRAPES全球奇异向量计算方案,以台风中心10个经纬度区域为目标区构建热带气旋奇异向量求解方案,针对台风“榕树”个例进行集合预报试验,并开展批量试验,利用中国中央气象台最优台风路径和中国国家气象信息中心的降水观测资料进行检验,对比分析热带气旋奇异向量结构特征和初值扰动特征,评估热带气旋奇异向量对热带气旋路径集合预报和中国区域24 h累计降水概率预报技巧的影响。结果表明,热带气旋奇异向量具有局地化特征,使用热带气旋奇异向量之后,热带气旋路径离散度增加,路径集合平均预报误差和离散度的关系得到改善,路径集合平均预报误差有所减小,集合成员更好地描述了热带气旋路径的预报不确定性;中国台风降水的小雨、中雨、大雨、暴雨各量级24 h累计降水概率预报技巧均有一定提高。总之,当在初值扰动的生成中考虑热带气旋奇异向量后,可改进热带气旋初值扰动结果,并有助于改善热带气旋路径集合预报效果。      

台风路径数值预报实时订正技术及其集成应用

以台风路径数值预报的短时效预报偏差和目标时效（指所需订正的时效）的纬度预报为预报因子,采用多元线性回归方法建立了台风路径预报的偏差预估方程,继而对台风路径预报进行实时订正。本文以12 h为短时效,通过对欧洲中期天气预报中心确定性预报模式（ECMWF-IFS）和集合预报模式（ECMWF-EPS）的台风路径预报的应用,得到以下结论:2018年试报结果表明,24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、84 h订正后的ECMWF-IFS台风路径预报的平均距离误差分别比订正前减小了7.3 km、9.3 km、8.9 km、6.5 km、6.9 km、2.6 km,总体来说较强台风（指12 h的台风强度实况≥32.7 m s?1）路径预报的订正效果更好。尝试了先对ECMWF-EPS各成员的台风路径预报进行订正,再进行集成预报,并对比了以下5种方式得到的台风路径预报:“订正后的确定性预报”、“所有集合预报成员集合平均”、“优选集合预报成员集合平均”、“所有集合预报成员先订正再集合平均”和“优选集合预报成员先订正再集合平均”,2018年试报结果表明,对于平均距离误差,24 h和36 h“优选集合预报成员先订正再集合平均”最小,48 h和60 h“所有集合预报成员先订正再集合平均”最小,72 h和84 h“优选集合预报成员集合平均”最小,如果在业务中有针对性地进行应用,有望获得一个在各预报时效表现都较优异的台风路径客观综合预报结果。24 h、36 h、48 h、60 h“优选集合预报成员先订正再集合平均”的平均距离误差分别比“所有集合预报成员集合平均”减小了13.3 km、11.7 km、10.0 km、7.6 km,比中央气象台官方预报（对应的时效为12 h、24 h、36 h、48 h）减小了0.7 km、2.0 km、3.9 km、2.4 km。     

集合预报方法在暴雨研究和预报中的应用

机理了解不够和可预报性问题的忽略是暴雨预报不尽人意的两大原因。主要讨论第二方面,即如何面对和处理可预报性问题,这对如何提高现有数值预报的价值、做好气象服务尤其重要。根据作者多年的研究和实践经验以及直接接触的一些研究和方法,简要地总结了数值集合预报方法在暴雨研究和预报中的应用,具体包括以下四个方面:(1)暴雨集合预报系统的建立:初值和物理扰动、成员数、模式分辨率、资料同化和"虚拟"集合预报;(2)预报方法:集合异常预报法、再预报相似集合法和台风路径聚类法;(3)在预报后处理与订正中的应用:平均、成员排序与最佳成员法、加权平均、概率匹配平均法和集合动力因子法;(4)对暴雨天气系统的机理分析与模式初值的改进:初值扰动差异分析和集合敏感性法、目标观测。希望国内气象业务部门能在日常业务中借鉴以上方法以提高暴雨预报和服务水平,为今后的研究工作提供一个新的起点、方向和方法,这包括指导现有的一些业务集合预报系统今后的进一步完善。     

不同区域海温异常对中国夏季旱涝影响的诊断研究和预测试验

利用季降水异常的典型集合相关预测模式, 研究了前期和同期不同季节全球海表温度距平场与中国夏季旱涝的遥相关分布特征以及这种相关型随季节的变化, 揭示了全球海温的异常变化在中国夏季旱涝中的信号特征.研究表明, 全球不同区域海温对我国夏季降水的影响存在着明显的季节差异.全球特定的海温分布可以作为中国夏季旱涝预报的信号因子.选取不同区域及不同时段的海温场作为因子场分别对1998、 1999年这两个典型年份的我国夏季降水进行了诊断研究和预测试验, 并通过不同区域海温的影响权重做集成预测.试验结果表明:不同区域海温的集成预测不仅可以有效地提高预测的准确性, 而且可以揭示不同时段不同区域海温的异常变化在夏季旱涝中的强信号现象.     

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。     

GRAPES区域集合预报对2019年中国汛期降水预报评估

2019年,数值预报中心开发了以GRAPES全球模式为驱动场,集合变换卡尔曼滤波为初值扰动方法,随机物理过程倾向项为模式扰动方法的10km水平分辨率GRAPES-REPS V3.0区域集合预报模式,并投入业务运行.基于该模式,作者开展了2019年7～9月夏季降水不确定性的集合预报实时试验,并从统计检验和个例分析角度,与...     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统,通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合,采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员,为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场,同化后的结果作为集合预报的初值,通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明,初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强,结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度,路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。     

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。     

GRAPES区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

GRAPES-GEPS环流集合预报的分类释用方法研究与检验

集合预报在数值天气预报体系中具有重要地位，因此如何有效提取集合样本信息以提高集合预报技巧一直是一个重要课题。基于中国全球集合预报业务系统（GRAPES-GEPS）的500 hPa高度场集合资料开展对环流集合预报的分类释用方法研究，并对集合聚类预报结果进行了检验分析。通过在传统Ward聚类法中引入动态聚类的“手肘法”方案，发展了环流集合预报分类释用方法。针对该方法的个例分析表明，对于中国中东部地区环流集合预报的聚类释用方法能够有效地划分出最有可能发生的环流形势类型并提供发生概率。确定性预报综合检验结果显示，集合预报聚类结果中发生概率最高的集合大类相对于集合平均的预报技巧有明显提升，并随着预报时效的延长提升更明显。总体来看，通过集合预报的分类释用方法划分环流形势类型可以为天气预报提供参考依据，具有实际应用价值。      

Ensemble Forecast for Tropical Cyclone Based on CNOP-P Method: A Case Study of WRF Model and Two Typhoons

In this paper, we set out to study the ensemble forecast for tropical cyclones. The case study is based on the Conditional Nonlinear Optimal Perturbation related to Parameter (CNOP-P) method and the WRF model to improve the prediction accuracy for track and intensity, and two different typhoons are selected as cases for analysis. We first select perturbed parameters in the YSU and WSM6 schemes, and then solve CNOP-Ps with simulated annealing algorithm for single parameters as well as the combination of multiple parameters. Finally, perturbations are imposed on default parameter values to generate the ensemble members. The whole proposed procedures are referred to as the Perturbed Parameter Ensemble (PPE). We also conduct two experiments, which are control forecast and ensemble forecast, termed Ctrl and perturbed-physics ensemble (PPhyE) respectively, to demonstrate the performance for contrast. In the article, we compare the effects of three experiments on tropical cyclones in aspects of track and intensity, respectively. For track, the prediction errors of PPE are smaller. The ensemble mean of PPE filters the unpredictable situation and retains the reasonably predictable components of the ensemble members. As for intensity, ensemble mean values of the central minimum sea-level pressure and the central maximum wind speed are closer to CMA data during most of the simulation time. The predicted values of the PPE ensemble members included the intensity of CMA data when the typhoon made landfall. The PPE also shows uncertainty in the forecast. Moreover, we also analyze the track and intensity from physical variable fields of PPE. Experiment results show PPE outperforms the other two benchmarks in track and intensity prediction.     

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。