数值模式延伸期可预报分量提取及预报技术研究

针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量.基于现有的国家气候中心月动力延伸预报业务模式,建立了针对可预报分量的数值模式.同时结合历史资料有用信息,对数值模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,进一步对可预报分量的预报误差进行订正.对混沌分量利用历史资料,通过集合预报方法得出其期望值和方差.数值试验结果表明,该方法能有效提高10～30天延伸期数值模式大气环流场的预报技巧,具有良好的业务应用前景.     

初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布的影响

利用全球谱模式T106L19和增长模繁殖法,分别在气候海温和预测海温强迫下,进行了动力延伸集合预报试验.基于方差分析思想,利用集合预报结果,定义和计算了初值影响指数、海温强迫影响指数、潜在可预报性指数以及波动活动指数.通过分析四个指数,揭示了初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布以及潜在可预报性的影响,并探讨了其影响机理.结果表明：初值影响指数分布具有地域和季节的差异,初值的影响在中高纬度地区大于热带地区;相同季节,海温强迫影响指数分布与初值影响指数分布相似;潜在可预报性指数呈带状分布,大值集中在热带地区,且在低纬度地区,高层的潜在可预报性大于低层;初值和海温强迫对延伸期可预报性时空分布的影响,依赖于大气环流形势,初值和海温强迫影响的显著区正是大气长波的活跃区和西风急流区,急流区的强风切变为长波活动提供了斜压不稳定能量,而长波的发展调控着初值和海温强迫的影响,这说明延伸期的可预报性具有明显的流依赖性,大气外强迫的作用也与大气内部的动力过程密切相关.     

动力相似预报的策略和方法研究

为了在现有模式和资料条件下有效提高数值预报水平, 深入开展了动力相似预报(DAP)的策略和方法研究. 提出“利用历史相似信息对模式预报误差进行预报”的新思路, 从而将动力预报问题转化为预报误差的估计问题, 并发展了一种基于相似误差订正的预测新方法(FACE). 进一步将FACE应用于业务海气耦合模式的跨季度预测试验, 夏季平均环流和降水的预测结果表 明, FACE能在一定程度上减小预报误差、恢复预报方差、提高预报技巧. 此外, 敏感性试验显示, 相似的个数、选取变量和度量标准都对FACE预报有显著影响.     

对地震可预报性的宣传

聚会时,当人们发现我是一个地震学家时,他们首先提出的问题通常是：“下一次地震将会在什么时候发生？”这表明：①大多数人对地震感到好奇和害怕;②人们认为地震学家能够预报地震。地震预报研究已经进行１００多年了,但都没有成功。因此,对这种预报研究一直有持不同...     

大气（气候）系统可预报性问题的讨论

讨论了大气（气候）系统可预报性问题,并指出:1.线性系统、一维自治动力系统、二维自治动力系统和部分可化为二维自治动力系统的一维非自治动力系统是可以进行数值预报的,其预测结果要比统计方法更为科学。而对浑沌动力系统的预报,统计方法则比动力方法更为严谨。2.非浑沌动力系统或浑沌动力系统在非浑沌区的演化行为客观上存在着可预报期限。     

蕴震系统的Kolmogorov熵及其可预报性

本文简单地回顾了从热力学熵到拓扑熵的熵概念发展历史以及熵理论在地震预报中的应用，着重介绍了Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ熵的理论背景、计算方法、估计方法以及它与系统动力学行为的可预报性问题的关系。以京津唐地区为例，对时间域计算了Ｋ熵的唐山大震前后的变化情况，得出大震前系统存在Ｋ熵下降的趋势，震后又回升。以多台的宽间域综合方法计算得到Ｋ熵大于零，对于１０＾－５～１０＾－６的观测精度其可报期限为４－５年。     

非线性局部Lyapunov指数与大气可预报性研究

鉴于线性误差发展理论研究大气可预报性存在的局限性, 采用非线性扰动发展方程讨论动力系统误差增长规律, 并在此基础上提出一个新概念: 非线性局部Lyapunov指数. 它与经典Lyapunov指数有本质的区别, 可以表征初始误差在有限时间内的局部平均增长率, 大小与初值、初始误差、物理量、演化时间、以及时间尺度、空间尺度有关. 结合该指数的定义以及大气本身的动力学特征给出合理的计算方法, 得到大气初始误差随时间的演化并确定了最大可预报时间. 最后以500 hPa位势高度为例, 详细讨论了非线性局部Lyapunov指数在大气可预报性中的应用, 得到的主要结论是: 大气可预报性具有明显的空间分布特征. 从总体上看, 可预报性呈纬向带状分布. 赤道上的可预报时间最大, 南极地区次之, 北极地区也较大, 南北两半球的副热带和中纬度地区可预报性最小. 在赤道地区, 平均可预报时间为12 d左右, 最大值分布在热带印度洋、印度尼西亚及邻近地区、热带东太平洋等地区, 大约为两周. 南极地区可预报性也很高, 平均可预报时间大约9 d, 这一特征在夏季更显著. 北极地区的可预报性也比邻近中高纬大, 但增加不如南极地区明显. 南北半球中纬度地区(30°~60°S和30°~60°N)的可预报性最小, 平均仅有3~4 d. 另外, 可预报性随季节有差异. 北半球大部分地区, 对应冬季的可预报性比夏季的大, 特别是中高纬北大西洋、北太平洋以及格陵兰岛等地区, 冬季的可预报性明显比夏季的大; 南半球, 南极附近60º~90ºS对应夏季的可预报性明显比冬季的大, 而其他区域尤其在30°~60°S的可预报时间随季节变化不大, 大约3~5 d. 理论和数据计算结果均说明非线性局部Lyapunov指数以及由它得到的非线性局部误差增长确实可以很好地定量表征各种大气物理量在不同时空域下的可预报性.     

初始误差和参数误差对混沌系统可预报性影响的比较

利用非线性误差增长理论,以Lorenz系统为例比较研究了初始误差和参数误差对混沌系统可预报性的影响．结果表明：在初始误差和参数误差单独存在时,系统的可预报期限随误差大小的变化规律基本上相同;对于相同的误差大小,初始误差和参数误差对系统可预报期限的影响几乎相同,这一结果基本上不随参数范围的变化而变化．当初始误差和参数误差同时存在时,两者对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于初始误差和参数误差的相对大小．当初始误差远大于参数误差时,Lorenz系统的可预报期限主要由初始误差决定,可以不用考虑参数误差对预报模式可预报性的影响;反之,当参数误差远大于初始误差时,Lorenz系统的可预报期限主要由参数误差决定;当初始误差和参数误差大小相当时,两者都对系统的可预报期限起重要作用．在后两种情况下,在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑参数误差的作用．这提醒我们在作实际数值天气预报的时候,不仅要重视初值的确定,也要重视数值模式控制参数的确定．     

非线性误差的信息熵理论及其在可预报性中的应用——以Lorenz系统为例

由于初始误差的不确定性,非线性系统预报误差也是不确定的,信息熵可以度量这些不确定性.本文将动力学的非线性误差增长理论和统计学的信息理论有效结合,提出了基于非线性误差的信息熵概念.非线性误差的信息熵可分为时间信息熵和空间信息熵,其不仅可用来估计系统整体和各分量的可预报性,还可分析系统各分量之间的联系和各分量对整个系统可预报性的影响.以Lorenz系统为例,本文还研究了非线性误差的信息熵在可预报性中的应用,给出了系统整体可预报性的空间分布.结果表明:无论空间信息熵分析,还是时间信息熵分析,Lorenz系统在两吸引子周围和运动空间边缘运动时,系统对初值的敏感性较小,可预报性较高且可预报期限较长.通过对Lorenz系统可预报性的实例分析,验证了非线性的误差信息熵理论在可预报性研究中的可行性和有效性,尤其在估计系统整体可预报性方面,为下一步研究大气不同气象要素的联合可预报性奠定了理论基础.     

基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究

基于1983~2011年CMAP降水数据分析,揭示东亚及其近海地区(简称东亚)的夏季降水距平在1999年前后由"+-+"型分布(由北至南)调整为"-+-"型分布,且这种年代际变化主要体现在EOF第3模态中;而在国家气候中心海气耦合模式(BCC_CGCM)回报和预报资料中,1999年前后则由"+-+-"分布型(由北至南)调整为"-+-+"型,即BCC_CGCM对降水年代际分布的预报与实况有较大差别.同时,结合EOF年代际突变分量给出了全球海温场与东亚夏季降水年代际变化有显著联系的关键海区,分析了BCC_CGCM对关键区海温的预报能力及对应的东亚夏季降水预报效果的差异,验证了基于关键区海温指数对改进模式预报结果的可能性.在此基础上,给出了基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究,并进行独立样本回报.结果表明,基于V区海温指数订正结果的距平相关系数(ACC)达到了0.25,距平符号一致率(ACR)达到61%,7个区域订正结果平均的ACC为0.03和ACR为51%,较BCC_CGCM模式结果的-0.01和49%均有一定的改进;且订正后1999年前后两个时段降水距平的空间分布和纬圈平均演变均体现了降水型由"+-+"向"-+-"调整的特征.因此,基于海温关键区指数的动力-统计相结合的预报方案能够增加模式对东亚夏季降水的季节预报结果中的年代际变化信息.     

区域时间和震级可预报模型在华北及西南地区的应用

应用能把不同精度和完整性的地震资料甚至考古地震资料结合起来,估计震源区的地震矩年变化率的方法,计算了地震矩年变化率．在此基础上,把区域时间震级可预报模型应用到华北地区和西南地区,地震时间间隔和上次地震的震级正相关,表明该模型是成立的．其震源应力积累参数之一的c值小于全球板缘地震得到的平均值0.33,说明地震复发周期与上次地震震级的相关性较弱,体现了中国大陆地震不同于板缘地震,意味着板缘地震和内陆地震模型存在差别．并用此模型对华北地区和西南地区的地震危险性作了分析．      

基于非线性误差信息熵理论的大气多变量系统可预报性分析

基于非线性误差信息熵理论,通过分析非线性误差信息熵和气候态信息熵随时间演变规律,引进了定量估计大气多变量系统可预报性的联合可预报期限和单变量可预报期限,该期限既适合度量气候态信息熵为常值的可预报性,也适合气候态信息熵随时间变化的情形.利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算了非线性误差信息熵和气候态信息熵随时间演变以及相应的可预报期限,并对冬季大气500 hPa温度场、纬向风场和经向风场的各单变量可预报性和三变量联合可预报性进行了分析.结果表明:对于单变量可预报性来说,温度场和纬向风场的可预报性相对较大,经向风场最小,它们的可预报期限具有纬向带状分布特征,尤其是经向风场,其可预报期限在纬向上明显存在3条低值带和4条高值带;对于多变量联合可预报性来说,由于各变量之间相互联系,多变量联合可预报期限不是单变量可预报期限的简单平均或线性组合,其可小于所有单变量的可预报性期限,也可介于各单变量可预报期限之间,且这个特征具有非常明显的区域差异,不同区域具有不同的结果.     

数据同化组成部分对初始条件和误差增长的影响

若不考虑特定的数据同化方法,数据同化通常可被分解为先验信息、观测算子、观测误差协方差和背景误差协方差等组成部分.本文基于经典的Lorenz模式,研究了数据同化各组成部分对初始条件误差和预报误差的影响,以期为设计不同尺度天气系统的数据同化方法提供理论基础.研究结果表明,预报误差经历三个典型阶段:0～5天为预报误差的缓慢增长期; 5～15天为预报误差的快速增长期,其中确定性预报和集合预报的误差增长速率具有显著差异; 15天后为预报误差的饱和期.数据同化可通过提供更加准确的初始条件,进而提升可预报性.相比于静态背景误差协方差(B),流依赖的背景误差协方差(P^f)可提供更精确的初始条件,因此当瞬时观测或频繁的时间平均观测被同化时,循环同化效果优于离线同化;但当时间平均观测频率低时则结果相反,这是因为循环同化在模式缺乏预报技巧时无法构造具有信息的先验估计,且流依赖的P^f相比于静态的B不能有效地从含信息量低的观测中提取出观测信息.瞬时观测相比于时间平均观测包含更多的信息,因此在时间频率低的观测系统中,瞬时观测应优先被考虑.此外,集合预报优于确定性预报,且...     

降雨输入对实时洪水预报精度与预见期的影响

针对降雨输入不确定性对实时洪水预报影响的问题,本文采用不考虑未来预报降雨、考虑未来预报降雨、考虑预报降雨的降雨量误差和降雨时间误差4种方法,以陕西省两个半湿润流域（陈河流域和大河坝流域）为研究区域,分析不同预见期和不同降雨输入情况下洪水预报的精度.研究表明：相对于不考虑未来降雨情况,考虑未来降雨后在预报预见期较长时对预报结果精度提升较大,在预见期较短时对预报结果精度提升不显著;暴雨中心位置不同对预报精度影响也不同,当暴雨中心位于流域下游时降雨量误差对流量预报误差影响更大;降雨量误差主要影响洪量相对误差和洪峰相对误差,且这种影响是线性的,对确定性系数的影响是非线性的二次函数,降雨时间误差主要影响峰现时间误差.     

使用时间—震级可预报模式评估川滇地块边界的分段强震危险性

根据时间—震级可预报模式研究川滇地块边界断裂系统的地震复发规律,利用历史地震记录和断层滑动速率资料得到了相应的时间可预报统计模型和震级可预报统计模型,并对川滇地块边界断裂带8个震源段在未来10年内的强震复发危险性进行概率评估。计算结果表明,综合危险率K值最高的3个震源段依次为小江断裂带(S5段)、红河、曲江、石屏断裂带(S6段)和安宁河—则木河以及大凉山断裂带(S3段),计算得到这些断裂带下次发生地震的震级分别为7.4、7.1和7.1级;其中S5、S3段发震位置位于南东边界,S6段位于南西边界,表明未来10年内川滇地块南部边界发震的危险性高于北部边界;预期的下次发生的最高震级地震位于南东边界。     

陆地表层系统模拟和观测的不确定性及其控制

不确定性是定量认识陆地表层系统的最大挑战之一．本文讨论了陆地表层系统中不确定性的来源及减小和控制不确定性的可能途径．从模型模拟的角度,不确定性的首要来源是影响陆地表层的参数、状态变量和近地表大气状态等边界条件的高度异质性．从观测的角度,我们首先用代表性误差的概念统一了由尺度代表性所引起的误差．代表性误差也主要来源于空间异质性,对于定点观测,它指将模型单元的模型状态映射到某一观测在其所代表性空间上的观测值时的误差,对于遥感观测,它是将地表变量映射到遥感原始观测的误差．从控制和减小系统不确定性的角度论证了模型和观测互补的重要性,提出应以随机的观点对待复杂的陆地表层系统;并通过对两种现代数据同化方法的介绍,说明数据同化是如何通过最大限度地融合模型和观测信息,来处理和控制不确定性,从而增强系统的可预报性和可观测性的．我们认为,新一代模型应描述动力学系统的统计分布,而观测应捕捉空间异质性,度量观测的代表性误差．     

上海GPS综合应用网对可降水汽量的实时监测及其改进数值预报初始场的试验

析了2002年夏季上海GPS综合应用网（简称SGCAN）的观测数据,实时处理中直接利用IGS（International GPS Service）超快速产品IGU（the Ultrarapid orbit of IGS）轨道,在长基线辅助下考虑海潮的影响,得到了可靠的可降水汽量（简称PWV）序列,监测结果与加密的Radiosonde观测比较,偏差为2mm左右. 与MM5预报可降水量的比较说明GPS监测结果可以作为检验数值预报质量的工具之一. 2002年夏季SGCAN监测的PWV时空变化过程反映了长江三角洲地区从西南到东北的详细入梅雨过程和特点,以及整个梅雨季节雨带在江淮地区来回摆动的情况. 一小时雨量与GPS/PWV锋值的对应关系统计表明GPS/PWV对雷暴雨具有一定的短期预报特性. 利用Cressman分析方法把GPS/PWV插值到中尺度数值预报模式初始场的各个格点上,改进了数值预报初始湿度场的精度,提高了中尺度数值预报的准确性,反映了GPS/PWV促进雷暴雨数值预报能力的潜力.