简析基于GFS集合预报乌海地区雷暴活动特征

文章主要选取2012—2013年NCEP再分析平均资料,运用天气要素合成对比分析方法,分析了乌海近两年雷暴时间分布和对应要素时空变化的基本规律。总结乌海雷暴天气的特点和影响雷暴的天气系统,利用GFS集合预报模式综合性地说明空间天气要素统计划分对2014年7月31日中小尺度天气系统雷暴活动进行预报的方法。运用云物理反演和空间要素分层聚类的方法对雷暴单体在有效的时间内进行跟踪,获取其运动天气要素随时间序列变化的运动机理,为相关雷暴灾害影响分析提供参考性分析方法。     

一次特大暴雨过程高分辨率集合预报试验的检验和评估

针对2018年4月22日发生在湖北西部山地的一次特大暴雨过程,采用降尺度方案和显式对流参数化方案模式,开展了高分辨率对流许可尺度(3 km)的集合预报试验,并对全球集合预报(GEFS)和对流尺度集合预报(SSEF)的降水预报进行了对比评估,结果表明:(1)SSEF集合平均的雨量和落区预报均优于GEFS。(2)SSEF各成员的降水离散度分布更合理,因而具有更优的降水区间预报,其“离散度-误差关系”更优,能更好地给出预报误差的分布及其可能的大小。(3)SSEF的概率预报在所有空间尺度上均优于GEFS,且在短历时强降水上的优势更加明显。由此可见,针对此类山地暴雨过程,对流尺度集合预报相对于全球集合预报具有巨大的改进潜力。     

集合预报系统及其产品应用综述

本文简要介绍了数值天气预报的一个重要分支——集合预报系统的研究背景，开发研究思路，集合预报产品输出的形式，集合预报输出的处理和统计解释，以及国外应用集合预报的情况。作为一项新的预报技术，集合预报将越来越受到重视。     

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。     

单一值预报向概率预报转变的基础: 谈谈集合预报及其带来的变革

基于大气系统的非线性和复杂性,加上初值和模式等本身无法避免的一些不确定性,天气预报从单一值的确定论向多值的概率论转变不但符合气象科学的实际也是更好地服务社会之必需。但是这种转变的理性思考对很多用户,甚至气象工作者自己都不是很清楚。为了帮助人们理解和加速这一转变,本文就这种转变所面临的一些普遍困惑谈一些想法。集合预报是促成这种转变的中心技术,为什么要做集合预报?集合预报的根本目的是什么?人们对集合预报有哪些误解?集合预报对整个数值预报系统将带来什么样的变革?以及预报员的新使命是什么?作者针对这些问题进行了讨论。     

不同随机物理扰动方案在一次暴雨集合预报中的对比研究

针对2018年4月22日发生在湖北西部山地的一次特大暴雨过程,采用降尺度方案和显式对流参数化方案模式,开展了高分辨率对流许可尺度(3 km)的集合预报试验,并对全球集合预报(GEFS)和对流尺度集合预报(SSEF)的降水预报进行了对比评估,结果表明：(1)SSEF集合平均的雨量和落区预报均优于GEFS。(2)SSEF各成员的降水离散度分布更合理,因而具有更优的降水区间预报,其“离散度-误差关系”更优,能更好地给出预报误差的分布及其可能的大小。(3)SSEF的概率预报在所有空间尺度上均优于GEFS,且在短历时强降水上的优势更加明显。由此可见,针对此类山地暴雨过程,对流尺度集合预报相对于全球集合预报具有巨大的改进潜力。

     

集合预报及其在中期天气预报中的应用

作者概述了集合预报的基本概念，集合预报中期天气预报中的意义与作用，现有的主要集合预报产品以及集合预报在美国美国国家气象中心和欧洲中期天气预报的业务运行。简要介绍了我国国家气象中心在动力延伸预报和集合预报方面的试验研究情况。     

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。     

AREM短期集合预报系统及其降水预报检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值和侧边界条件的不确定性,采用BGM方案,建立有11个成员、37km分辨率、覆盖全国区域的短期集合预报系统,并将其于2009年汛期投入准业务化试验,进行了连续2个月的预报结果检验。结果表明:由于能提供更多预报信息,集合预报系统优于单一确定性预报,集合平均预报对评分的改进主要表现在暴雨以下量级,概率预报高于集合平均和控制预报,因而更具参考价值;利用多种集合产品对降水过程进行综合分析,能提高决策预报的科学性。     

ECMWF集合预报在安徽大别山区降水预报中的检验

利用2015年6月1日至8月31日ECMWF集合预报系统(EPS)51个成员的降水预报结果,基于安徽省大别山区12个代表站点1～3 d的逐12 h降水观测资料,采用TS评分、箱须图、泰勒图等方法,研究ECMWF集合预报降水结果在安徽省大别山区降水分级预报中的应用效果。主要结论如下:ECMWF集合降水预报中,08时起报的24 h降水量和20时起报的48 h降水量可参考性较大;降水分级检验中,晴雨预报正确率在70%以上,小雨和中雨的空报率较高,对大雨以上量级的预报能力相对较差;大型降水过程中,暴雨以上量级的预报需关注不同预报时效下降水量预报的变化趋势,个别成员对极端降水的表现也值得关注。     

极端天气预报指数和集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用北大核心

利用2016—2021年ECMWF集合预报,评估了极端天气指数EFI(Extreme Forecast Index)、尾偏移指数SOT(“Shift of Tail”index)以及集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用效果。通过研究极端天气预报指数对浙江台风和梅雨暴雨的最优预报阈值,发现梅雨暴雨阈值比台风暴雨明显偏小,且随预报时效增加减小速度偏慢。最优阈值预报相比确定性模式预报,在台风和梅雨暴雨预报检验中体现出更好的稳定性、提前性和准确性。进一步研究发现,通过区分天气类型确定的最优预报阈值,可作为台风和梅雨暴雨落区预报的参考依据。925 hPa水汽通量散度的集合异常度对浙江台风暴雨的落区和强度变化有较好的预报效果,850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的集合异常度可以反映稳定性梅雨暴雨的过程演变。     

基于Local-BGM法的冷涡暴雨集合预报试验及评估检验北大核心

基于传统增长模繁殖法(Breeding Growing Mode,BGM)和局地增长模繁殖法(Local Breeding Growing Mode,Local-BGM)生成初始扰动成员,对一次冷涡暴雨过程进行集合预报试验,从多方面比较两种方案的预报效果,并且在邻域概率法(Neighborhood Probability,NP)中引入时间邻域,评估概率预报结果。结果表明,引入局地化思想的Local-BGM方案能够生成比传统BGM方案更合理的初始扰动,具有很明显的局地特征。对于扰动变量的预报,Local-BGM方案在均方根误差和离散度等方面均表现更好,同时能够提高各量级降水的预报技巧。邻域集合概率法能够综合各个集合成员预报的降水信息得到优于集合平均的概率预报,分数技巧评分更高。并且在考虑时间不确定性后,无论是控制预报、集合平均还是邻域集合概率法,分数技巧评分均有很大改善,并且降水阈值越大改善效果越明显,能够为极端强降水天气提供较为客观的概率预报信息。     

雷雨大风与河北电网灾害特征分析

根据灾情观测资料、重要天气报告资料,从多角度对京津冀地区雷暴大风进行了统计分析,结合MICAPS资料、NCEP资料、自动站资料以及多普勒天气雷达资料,讨论了雷暴大风形成的天气条件、类型和风暴特征,结果表明：雷暴大风主要分布在北京西北部山区、沿海地区以及西北部高原,平原相对较少,近30 a演变趋势为振荡减少。雷暴大风最早始于3月中旬,最晚终于11月上旬,6月下旬达到顶峰,6、7月份为最多月份,14—20时为日高峰期。雷暴大风的旬、月分布与冷空气活动、南支急流的位置有关;雷暴大风的形成,5、9月份需要更高的热力条件和动力条件,6、7、8月份需要更高的不稳定条件和能量条件;西北气流型和低涡型是产生雷暴大风日数最多的天气类型。各类型天气系统的月分布与冷空气活动、副热带高压位置以及南支急流的强度、位置有关;雷暴大风的范围与影响系统的尺度和强度有关,冷锋和低涡出现区域性雷暴大风天气的几率最高,且级别越高,冷锋的优势越明显;雷暴大风过程多单体风暴最多,飑线次之。雷暴大风的范围与风暴的强弱有关,飑线、超级单体风暴是出现区域性雷暴大风几率最高的对流风暴,且级别越高,飑线的优势越明显。

     

国家气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用

利用ECMWF集合预报对2016年6月11—12日发生在长三角地区的一次暴雨过程进行了分析,并对集合“好” “坏”两类成员的预报结果进行了对比。分析表明：集合预报对本次暴雨过程具有比较好的预报能力,集合平均预报效果要优于确定性预报,其雨量预报的增大趋势对暴雨的预报具有一定的指示意义;高分位数集合成员对于暴雨预报有比较好的参考价值,尤其是在预报时效还较长的时候,如果连续多起报时次高分位数集合成员都预报出暴雨,以及低分位数集合成员的雨量预报呈现逐渐增大趋势,预示着暴雨的可能性在增大,有助于暴雨预报的决策;对天气系统和气象要素的预报差异是造成“好”“坏”两类集合成员对本次暴雨过程模拟效果差异的主要原因,对500 hPa高空槽、850 hPa低涡及其切变线、西南气流和偏东气流的模拟是决定“好”“坏”两类集合成员模拟效果的关键因素。

     

Improving multi-model ensemble probabilistic prediction of Yangtze River valley summer rainfall

Seasonal prediction of summer rainfall over the Yangtze River valley(YRV) is valuable for agricultural and industrial production and freshwater resource management in China, but remains a major challenge. Earlier multi-model ensemble(MME) prediction schemes for summer rainfall over China focus on single-value prediction, which cannot provide the necessary uncertainty information, while commonly-used ensemble schemes for probability density function(PDF) prediction are not adapted to YRV summer rainfall prediction. In the present study, an MME PDF prediction scheme is proposed based on the ENSEMBLES hindcasts. It is similar to the earlier Bayesian ensemble prediction scheme, but with optimization of ensemble members and a revision of the variance modeling of the likelihood function. The optimized ensemble members are regressed YRV summer rainfall with factors selected from model outputs of synchronous 500-h Pa geopotential height as predictors. The revised variance modeling of the likelihood function is a simple linear regression with ensemble spread as the predictor. The cross-validation skill of 1960–2002 YRV summer rainfall prediction shows that the new scheme produces a skillful PDF prediction, and is much better-calibrated, sharper, and more accurate than the earlier Bayesian ensemble and raw ensemble.     

提高月预报业务水平的动力相似集合方法

针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。将这一集合新方法应用到中国国家气候中心业务大气环流模式(BCC AGCM1.0),一组10 a准业务环境下回报试验结果显示,相比于业务集合预报,动力相似集合预报方法能有效改进模式对于大气环流的纬向平均、超长波和长波预报,从而有效提高了月平均环流预报技巧(几乎达到业务可用标准)和逐日环流预报技巧,并显著降低了预报误差,合理增加集合离散度,使二者配置关系得以改善,有望在业务预报中应用。     

垂直能量螺旋度指数及其在槽前型雷暴大风预报中的应用

引入垂直能量螺旋度指数( VEH ) 的概念并分析其物理意义,同时采用NCEP 1°×1° 再分析资料和MICAPS重要天气报文资料,将该指数应用于2009 年7 月4—7 日华北地区一次槽前型雷暴大风过程的预报中;在此基础上,利用华北地区2008 —2009 年夏季4 次槽前型雷暴大风个例,对该指数的普适性进行验证。结果表明,该指数反映了气块在螺旋上升过程中释放不稳定能量的能力,是诊断和预报槽前型雷暴大风的有效指数;并将该指数应用于一次华北典型槽前型雷暴大风的预报中,通过对比其它指数,证明其有效;用14 时的VEH 指标,预报20 时前的雷暴大风天气,这种天气一般在VEH 超过1.4 J·m·kg^-1·s^-2的3～6 h 之间出现。     

ECMWF集合预报产品在重庆暴雨预报中的检验与应用北大核心

利用重庆地区34个国家气象站降水资料和ECMWF集合预报降水资料,系统检验和评估了集合预报统计量产品及后处理技术产品对2014—2016年5—9月重庆暴雨的预报性能。结果表明:集合统计量产品中最大值、90%分位数、融合产品、概率匹配平均、75%分位数对暴雨预报有一定参考性,其中90%分位数和融合产品对暴雨落区预报较好,最大值对暴雨强度预报有一定指示意义,但表现为明显的湿偏差。集合预报后处理技术产品的暴雨TS评分较控制预报和集合平均有明显提高,其中概率预报、最优百分位、融合—概率匹配、频率匹配法的暴雨TS评分超过最大值,对暴雨强度预报具有较好的指导意义,其预报偏差均表现为湿偏差,融合—概率匹配和频率匹配法对暴雨落区预报较好,概率匹配—融合对降低暴雨空报率较好。     

华北产生雷暴大风的动力热力综合指标分析及应用

应用MICAPS重要天气报告数据,筛选出2005-2010年夏季华北地区26次典型雷暴大风过程。选取K指数、对流有效位能、大气可降水量、大风指数、中低层垂直速度、垂直螺旋度、垂直能量螺旋度等7个动力或热力指标,利用NCEP 1°×1°再分析资料计算和统计了槽前型和西北气流型雷暴大风发生时的指标阈值。基于统计结果,进一步设计了指标叠套技术,将其应用于2011年6月华北地区两次不同类型雷暴大风的潜势预报中。结果表明,雷暴大风实际发生区域与指标叠套区域一致性较好,验证了该方法对华北雷暴大风预报的有效性。