华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

集合预报对台风天鹅(2015)远距离暴雨的不确定性研究

2015年8月23—24日期间台风天鹅引发华东中部沿海地区出现暴雨或大暴雨天气。基于欧洲中期天气预报中心的集合预报分析导致此次远距离暴雨预报不确定的关键原因,并利用集合敏感性分析方法研究影响此次暴雨过程的主要天气系统的敏感区域,此外对暴雨发生发展的热动力机制展开探讨,主要结论包括:集合预报对此次台风天鹅引起的远距离暴雨的可预报性明显偏低,仅在暴雨发生前24 h才做出较大调整。在不同起报时次下,当台风路径的系统性偏差最小时,台风降水集合预报也最接近实况,但是进一步的分析表明,台风路径误差与降水量级之间的对应关系并不确定。不同雨量成员组间中低层环流场的对比分析表明:高空槽的预报差异是集合预报不确定的主要原因,高空槽东移加深有利于增加暴雨区的斜压不稳定,也有利于增强对流层低层的水汽输送急流带。500 hPa高度场的敏感性分析表明无论是初始场还是预报场,暴雨区平均降雨量均与高空槽的东移和加深显著相关,且随着预报时次的临近,显著相关区域向低槽下游明显扩大。此外还发现高空槽的东移有利于增强(减弱)暴雨区左(右)侧低层冷空气的强度,使得台风右侧更多暖湿气流向暴雨区输送。     

“16·7”华北极端强降水过程对流尺度集合模拟试验不确定性分析

基于4km水平分辨率的WRF-ARW中尺度模式,对2016年7月19日华北地区的极端暴雨过程进行了不同降水微物理过程的对流尺度集合模拟试验。结果表明:各个成员模拟降水的强度、时空分布与观测实况较为接近,但也具有明显的不确定性。通过邻域检验的ETS评分、相关系数和均方根误差等指标进行评估表明,采用Morrison方案和WSM6_P2方案的集合成员表现较好,对流尺度集合模式在降水强度和准确度较全球数值模式预报有一定提升。频率检验表明集合预报在50 mm以下量级的预报存在过量预报的倾向,而100 mm以上的强降水预报相对偏弱。不同降水物理过程的集合成员在高空急流和地面气旋等关键天气尺度系统的发展过程中表现出明显的不确定性;通过降水量与整层可降水含量,低层相对涡度和垂直运动等诊断量的联合分析表明,集合成员可分为强降水集合和弱降水集合两类,其中强降水集合拥有较强的对流性回波、较明显的对流性下沉以及较强的地面冷池,强的潜热反馈也导致对流层中层出现相对较大的正位涡异常,并进一步影响天气系统发展。弱降水集合成员降水以暖云降水为主,对流性上升和地面冷池相对较弱,但较为接近本次以稳定性暖云降水为主的天气过程。检验模拟雷达回波表明双参量降水物理方案在反映层云回波亮带和层云与对流核的分离特征上更为清晰合理。利用WSM6物理方案参数设置的敏感性试验表明,不同参数组合设置的预报成员分别表达了强对流风暴和暖云强降水两种性质的强降雨过程,对于一次特定天气过程中的对流系统发展能够预计到更多的不确定性,展现了对流尺度集合预报的优越性。     

增长模繁殖法在华南暴雨中期集合预报中的应用

采用增长模繁殖法和全球谱模式T106L19对2005年6月发生在华南的暴雨过程进行了中期集合预报试验。结果表明：相对于单一的确定性预报,集合预报能给出更多的预报信息;各成员的降水预报、降水概率预报等丰富的预报产品能够给暴雨预报提供更有价值的信息,减少漏报率,对低压槽线和副高脊线等关键环流系统的预报,集合预报结果更为接近实况。     

美国国家气象中心中期预报时段内的集合预报

评述美国国家气象中心将集合预报的概念与方法引进中期预报领域，利用分辨率较低的模式做多成员的集合预报能获得较好的效果。     

中期暴雨预报自动化系统

中期暴雨预报系统实现了从信息采集、预报制作到服务全过程自动化。中期暴雨预报方法主要有：环流分型相似预报、暴雨个例相似预报和中期暴雨预报专家系统，采用层次分析动态决策方法进行预报集成。该系统在业务预报中取得显著效果。     

青藏高原东侧"2003.8.28"暴雨的集合预报试验

利用MM5模式和国家气象中心的T213模式的预报资料,通过研究非绝热物理过程参数化方案对高原东侧"2003.8.28"暴雨数值预报的影响特征,进行了多物理模式集合预报试验,为开展青藏高原东侧集合预报扰动技术研究进行了试验.试验结果表明,模式物理参数化方案对中尺度降水预报结果有明显影响,包括局地降水强度、空间分布型态、时间演变特征等.随着模式分辨率的提高,积云对流参数化方案将增加小雨量级降水区域,产生一些虚假降水,就现阶段模式水平而言,高分辨率集合预报应重点发展考虑强降水预报不确定性的集合预报模式系统.多物理模式集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可以改进单一确定性预报结果不稳定的缺点,为强降水灾害性天气预报提供有价值的预报信息.     

“96.7”桂中、桂北暴雨中期预报的回顾

受高空低压槽、低涡和地面准静止锋的共同影响，1996年7月中旬桂中、桂北出现一场致洪特大暴雨天气过程。在这场致洪特大暴雨天气过程到来之前，采用数理统计方法（积分极限定理精选因子综合法、逐步回归、相似分析）、天气学方法、数值预报产品、能量转换谱分析等多种预报方法有机综合，取得了比较好的中期预报效果。     

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。     

松花江流域暴雨个例分析及中期预报

通过对１９９５年７月１２－１３日松花江流域暴雨的环流形势，气象要素场及波谱特征分析，提出了预报此类暴雨的着眼点和指标。     

Sensitivity Analysis of the Super Heavy Rainfall Event in Henan on 20 July (2021) Using ECMWF Ensemble Forecasts

An unprecedented heavy rainfall event occurred in Henan Province, China, during the period of 1200 UTC 19-1200 UTC 20 July 2021 with a record of 522 mm accumulated rainfall. Zhengzhou, the capital city of Henan, received 201.9 mm of rainfall in just one hour on the day. In the present study, the sensitivity of this event to atmospheric variables is investigated using the ECMWF ensemble forecasts. The sensitivity analysis first indicates that a local YellowHuai River low vortex(YHV) in the southe...     

Study on Ensemble-Based Forecast of Extremely Heavy Rainfalls in China: Experiments for July 2011 Cases

According to the Anderson-Darling principle, a method for forecast of extremely heavy rainfall (abbreviated as extreme rainfall/precipitation) was developed based on the ensemble forecast data of the T213 global ensemble prediction system (EPS) of the China Meteorological Administration (CMA). Using the T213 forecast precipitation data during 2007-2010 and the observed rainfall data in June-August of 2001-2010, characteristics of the cumulative distribution functions (CDFs) of the observed and the T213 EPS forecast precipitation were analyzed. Accordingly, in the light of the continuous differences of the CDFs between model climate and EPS forecasts, a mathematical model of Extreme Precipitation Forecast Index (EPFI) was established and applied to forecast experiments of several extreme rainfall events in China during 17-31 July 2011. The results show that the EPFI has taken advantage of the tail information of the model climatic CDF and provided agreeable forecasts of extreme rainfalls. The EPFI based on the T213 EPS is useful for issuing early warnings of extreme rainfalls 3-7 days in advance. With extension of the forecast lead time, the EPFI becomes less skillful. The results also demonstrate that the rationality of the model climate CDF was of vital importance to the skill of EPFI.     

北京地面O3的集合预报试验

基于蒙特卡罗集合预报方法建立了一个北京地面臭氧的集合预报系统,该系统对包括排放源、气象场在内的154个模式输入和参数进行了扰动,共包含了50个集合成员。利用该集合预报系统模拟了北京奥运会期间一次臭氧过程(2008年8月11日～8月13日),分析了集合预报系统在概率预报,最优集合子集预报以及表征预报可靠性方面的特点。结果表明:与原确定性预报相比,集合预报能为用户提供更加丰富的预报信息,通过概率预报可以提供不同事件发生的概率,对臭氧事件的预报准确率更高。采用最优集合子集预报方式时的臭氧预报均方根误差比原确定性预报低了10%以上。     

集合预报产品在江苏省暴雨预报中的应用评估

利用2011—2015年6—8月TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)数据集中欧洲中期天气预报中心(ECMWF,以下简称EC)的集合降水预报数据和江苏省70个基本站逐日24 h(20时至次日20时)降水数据,通过大量暴雨样本系统检验和评估了EC集合预报及多种后处理释用产品对江苏暴雨的预报能力。结果表明:作为集合预报的初级产品,集合平均对暴雨的预报存在明显的漏报率,TS预报评分尚不及EC确定性预报;集合预报不同成员间对暴雨的预报技巧差异大,其最优成员组合的预报能力显著优于EC确定性预报,表明集合预报具有较大的应用潜力;在多种集合预报后处理释用技术中,最大值、最优百分位、降水偏差订正频率匹配法、概率预报、集合异常预报法和杜-周排序法(最大值法)的平均TS评分均较高,超过10%,其次90%分位数、融合、融合-概率匹配和杜-周排序法(集合平均或中位值法)的预报效果也均优于EC确定性预报。集合中位值、概率匹配方法对江苏暴雨的预报评分低于集合平均预报,在暴雨预报上的参考价值相对较低。该评估结果进一步加深了对各集合预报产品区域暴雨预报能力的认识,为预报员更直接快速地选取有效的集合预报产品提供参考。     

北京城区一次大到暴雨的预报难点分析

2005年6月25日夜间北京城区出现了大到暴雨过程，与预报的小到中雨有很大偏差。通过对常规资料及雷达、卫星、风廓线仪和自动站资料的综合分析，发现这次降水不属于北京典型的大降水过程，而是具有明显的中尺度特征。25日23时低层弱冷空气从北面侵入，触发了具有高不稳定能量的对流发展；同时，低空西南急流携带大量水汽和能量到北京，使降水得以加强并维持。另外，位于山西的中尺度低压的东部有一条纬向辐合线，北京的城区和南部成为了地面上偏东和偏南气流的风速辐合区。根据以上分析提出了预报着眼点。     

ECMWF集合预报和确定性预报对淮河流域暴雨预报的对比分析

本文运用2012年5—9月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的集合预报系统(Ensemble Prediction System,EPS)和确定性模式(High-resolution Deterministic forecast,HDet)资料对比分析了淮河流域暴雨的预报效果。对于集合预报,主要对比了基于EPS的日降水量极端天气预报指数(Extreme Forecast Index,EFI),和改进的贝叶斯模型平均(Modified Bayesian Model Averaging,MBMA)法对降水的订正后概率。由于ROC(Relative Operating Characteristic)检验是与模式的系统性偏差无关的,所以选用ROC检验,对比了不同空报率下的TS评分,以及不同方法的相对经济价值。对比检验的结果显示,各时效预报MBMA预报效果最好,其次是HDet,EFI的预报效果最差,其中2 d内的预报HDet接近MBMA,随着预报时效的延长,MBMA相对于HDet和EFI的优势不断增强。在不同标准下确定三种方法对淮河流域暴雨预报的阈值,结果显示MBMA同样优于HDet,EFI预报效果最差。但MBMA的优势是通过增加预报偏差得到,如果将预报偏差限定为主观预报的1.37,此时MBMA的效果和HDet的效果接近。     

用日本数值预报产品预报桂林市强降水的检验

用日本数值预报产品 JFU FE5 0 2、JFU FE5 0 3,对桂林市大雨以上强降水过程进行分析检验 ,结果表明有较好的预报能力 ,只是预报值偏小 ;在不同天气系统影响下 ,其预报性能也有所不同。实际运用时 ,结合天气形势、实际预报经验和其它预报方法进行有效订正 ,能提高强降水预报准确率     

汛期大～暴雨的降水概率预报模式

应用阶梯函数变换预报因子 ,经过相关比筛选 ,进行 REEP构造分量级降水概率预报方程 ,应用不同时刻资料和对 NWP产品统计释用方法构造分时刻预报方程 ,并对其预报结果进行了综合的集合预报。实用表明 ,预报模式对大～暴雨的概率具有一定的预报能力。     

华北地区台风暴雨的统计特征分析

应用1949-2000年台风、降水、历史天气图等资料,对发生在华北地区的台风暴雨进行统计研究,得到了其时空分布、登陆地点、移动路线、季节特征以及与中纬度系统相互作用的关系。结果表明：52年中,由台风引起的暴雨共51次,平均约每年1次,且主要出现在夏季(尤以7,8月最多);影响华北的台风登陆地点以及移出或消失地点具有明显的特征,福建、浙江沿海登陆次数最多,江苏北部到山东南部没有台风登陆,而这一地区为台风移出最多区域;登陆台风强度较强时,出现较大降水的概率大,而台风强度较弱时造成较大降水的概率相对较小。