热带有限区分裂半隐式斜压初始方程预报模式

本文提出一个采用分裂半隐式时间积分方案的热带有限区多层初始方程数值预报模式。业务预报试验表明模式的计算稳定性较好,预报作业时间较显式方案缩短约三分之二,对热带天气系统有一定预报能力。为了弥补热带大洋上探空资料不足,还试验了插补其他来源的资料,效果也较好。     

一个简单的热带有限区资料四维同化方案

根据广州区域气象中心热带有限区数值天气预报的条件和特点,设计了一个简单可行的四维同化方案,并通过模式平行试验,详细地分析了该方案对分析和预报的改进情况,表明该方案可以得到一个较为平衡而又与模式大气状态近于协调一致的分析场,大大缩短了模式的Spin—up时间和减小了积分初期模式调整的幅度,从而改进了预报结果。这种改进在资料稀疏区比资料密集区要大得多。通过四维同化,模式的高度场预报、风场预报、质量场及总动能在积分过程中的演变等都得到了令人满意的改进。通过在同化过程中区别对待20°N以南的资料稀疏区及其以北的资料密集区,进一步使模式降水预报得到显著的改进。     

Improved tropical cyclone track predictions using error recycling

Summary Errors produced by a nonlinear predictive scheme contain information about both the observations and the prediction system. Therefore, its error history would be expected to contribute to increasing the skill of the predictions if it is included in the forecast. In this study an error recycling procedure is developed for tropical cyclone track prediction. Errors are defined here as differences between the model forecast and the best track position. Error histories are incorporated into a nonlinear analogue, or simplex, forecast scheme and applied to tropical cyclone track prediction, using the archives of observed position data associated with the forecast errors. Various forecast experiments of the cyclone tracks are performed: standard simplex predictions using observed positions only; simplex predictions improved by error forecasts based on libraries of both observations and the recycled forecast errors; and, finally, predictions that include NWP-model forecasts and their errors as predictors. The resulting gains in skill of predictions out to 72 hours ahead are found to be substantial. Received August 12, 1999 Revised November 5, 1999     

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ:方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

热带气旋定量降水预报的动力相似方案

该文提出一个热带气旋定量降水预报(QPF) 的动力相似方案。方案应用热带气旋初始参数、历史过程的天气形势场和物理量场及数值预报产品, 构造预报区域内当前时刻至未来时刻环境要素场的多元客观相似判据。通过定义非线性的相似指数综合评估历史热带气旋样本与预报热带气旋在多元判据下的连续动态相似程度, 以此找到相似样本。应用相似样本的历史降水量记录进行相似指数的权重综合, 得到热带气旋未来6~48 h降水量的定点、定量预报值。预报试验表明该方案具有一定的预报技巧。     

对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响

利用GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统,针对对流天气系统特点,用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,同化广东省自动站记录的对流天气系统的雨量资料,并且与同化探空资料进行了比较.在雨带有明显改进的区域,分别同化这两种资料都可以调整大气低层水汽辐合增加(或辐散),对流层中下层增暖增湿(或变冷变干),从而增加(或减少)降水,表明降水的同化方案对初始场的调整在一定     

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。      

半球谱模式的风场初值及其对资料同化的影响

利用半球谱模式（Ｔ４２Ｌ９）进行了大量的资料同化和预报试验。结果表明，半球风场初值方案对资料同化和预报有重要的影响。不恰当的初值处理会导致虚假散度源，在非绝热模式中可能进一步诱发虚假的强降水与相应的潜热释放。很明显，这个问题既不同于Ｄａｌｌｅｙ［１］所分析的半球／全球范围效应，也不同于所谓的赤道资料效应。文章在前人研究的基础上，提出了散度和涡度修正方案，进而用对比试验方法讨论了该方案与其他方案的差异以及对同化的影响。初步试验表明，散度修正方案是半球资料同化中克服初值计算误差的一个较好的选择。     

背景误差水平相关结构对四维变分资料同化的影响研究

为考察GRAPES全球四维变分同化（4DVar）的分析增量在谱空间的时间演变特征,分析当同化时间窗起始时刻与终止时刻背景误差水平相关特征明显不一致时对分析与预报造成的影响,对GRAPES全球4DVar的背景误差水平相关采用二阶自回归模型（SOAR）、集合资料同化生成扰动样本估计的水平相关模型以及基于这两者的背景误差谱空间融合模型进行比较。结果表明,SOAR的分析增量在20波以上的天气尺度波动的分析信息明显不足,而将集合资料同化样本所计算的水平相关的功率谱方差与SOAR功率谱方差进行融合,水平相关特征呈现出多尺度水平相关的特点,可以更好地吸纳观测信息,显著改善北半球形势场、温度与风场预报效果,南半球也有改善,对赤道地区的影响中性。表明研究发展的融合水平相关方案合理、实用。      

热带气旋路径趋势数值预报的试验研究

给出了一个嵌套于欧洲中期天气预报中心全球谱模式中的套网格模式，用于预报热带气旋路径趋势，提出了一种以欧洲中期天气预报中心提供的时距为24小时的预报场为基础的“接力预报”方法；设计了五种不同的“接力预报”方案；并对8507号和8509号两个热带气旋就各种不同预报方案进行了数值预报试验。结果表明，本模式对热带气旋路径趋势具有较强的预报能力，对疑难路径也具有一定的预报能力，为开展热带气旋的路径趋势预报提供了一个新的途径。文中还对影响热带气旋路径趋势的一些主要因子结合各预报结果进行了分析，为模式尽早投入业务提供了一定的依据。     

Ensemble forecasting of tropical cyclone motion using a barotropic model. Part III: Combining perturbations of the environment and the vortex

Summary This is the third in a series of papers to investigate the applicability of the ensemble forecasting (EF) technique in the prediction of tropical cyclone (TC) motion. In the previous two papers, either the environment or the vortex was perturbed and the other unperturbed component was then merged onto the perturbed component at the initial time. In the present study, the separately-perturbed environment and vortex fields are combined at this time. The objective is to determine the extent to, and the synoptic pattern under which, such a combination can improve the TC motion forecast compared with perturbing only one component.The study makes use of the same barotropic model as the previous studies and the same dataset – 66 cases from the Tropical Cyclone Motion Experiment TCM90. Perturbations of the environment and those of the vortex are first generated separately using the breeding of growing modes (BGM) method, and then combined at the initial forecast time. The performance of this combined scheme, labeled as BGMC, is then compared with that of the scheme with only the environment or the vortex perturbations (termed BGME and BGMV, respectively).The BGMC distribution of ensemble forecast tracks are found to be basically similar to those in BGME but the spread is reduced. Some poor forecast members in BGME also become close to the best track in BGMC. The relative skill scores of the BGMC forecasts relative to the best track are almost all positive but those under the perfect model assumption are negative because the control forecast is better. While both BGMC and BGME schemes can improve TC forecast track under transition synoptic conditions, BGMC also achieve a higher success rate under complicated vortex and environment interactions. In general, the BGMC scheme is superior to the BGMV scheme.     

EOF分解与GA优化的热带太平洋海温场动力预报模型反演

基于NCEP/NCAR提供的1950-2000年月平均海温场资料,首先用EOF方法对海温场序列进行时、空分解,在考虑相邻时段位势场空间模态基本稳定的前提下,引入动力系统重构思想,以EOF分解的空间模态时间系数序列作为动力模型变最,用遗传算法全局搜索和并行计算优势,进行了模型参数的优化反演,建立了EOF分解时间系数的非线性预报模型。通过模型积分和EOF时、空重构,实现了海温场的中长期预报。试验结果表明,在1—6月时效预报上,模型预报海温场与实际海温场非常吻合;对于7 15月时效的预报,尽管模型预报的海温场与实际海温场存在一些出入,但基本构型大致相符,特别是对12月以上的海温场形态和范围仍然能较为准确地描述。所有时效的预报结果均能对1997年的El Nino事件特征有不同程度的描述。该研究方法为海温场以及El Nino/La Nina事件的预报提供了一种新的思路,文中提出的反演热带太平洋海温场与El Nino/LaNina的动力统计模型的研究思想和技术途径,在热带太平洋海温场的预测试验中(特别是中、长期预报)表现出良好的预报效果,为热带太平洋海温场及其异常的El Nino/La Nina事件的中、长期预报提供了有益的研究和参考方法。     

GRAPES全球模式云方案的诊断研究

在对GRAPES全球预报系统(GRAPES_GFS)云预报性能进行诊断评估的基础上,对凝结(华)和蒸发等物理过程及对流卷出对云的影响过程进行改进和优化,旨在提高GRAPES_GFS云量及其特征量和降水的预报精度.通过研究GRAPES全球模式、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国环境预报中心(NCEP)全球模式中3种...     

西北太平洋热带气旋生成客观预测模型

该文提出一种西北太平洋热带气旋年生成活动的客观预测模型。研究大尺度环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的作用,使用最小角回归算法对初始14个预测因子进行选择和降维,将资料集分为训练集(1979—2015年)和验证集(2016—2020年),建立随机森林回归模型预测热带气旋年生成频次。分析环境因子对西北太平洋热带气旋生成位置的作用,使用逐步回归算法筛选影响显著的预测因子,建立局部泊松回归模型预测热带气旋生成空间位置的概率。结果表明:随机森林回归模型可以预测西北热带气旋频次的主要变化和趋势,揭示环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的影响。局部泊松回归模型对于气旋生成位置概率有一定预测能力。利用随机森林回归模型和局部泊松回归模型模拟1979—2020年西北太平洋热带气旋生成,结果与观测基本一致,可见模型可为热带气旋危险性分析提供参考。     

利用神经网络方法建立热带气旋强度预报模型

以神经网络方法为基础,建立西北太平洋热带气旋强度预测模型,模型首先进行历史相似热带气旋选择。从选择的样本出发,计算得到一组气候持续因子、天气学经验因子和动力学因子, 对这些因子采用逐步回归方法进行筛选,将筛选得到的因子同对应时效的热带气旋强度输入神经网络训练模块,从而得到优化的预测模型。从2004-2005年西北太平洋26个热带气旋过程对12,24,36,48,72h等不同预报时效分别进行的634,582,530,478,426次预测试验结果的统计来看,相对于线性回归模型预测水平,该模型显著降低了各时段的预测误差。从几个热带气旋个例的预测结果来看, 该模型对超强台风, 以及具有强度迅速加强、再次加强等特征的热带气旋过程均有很好的描述能力。     

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。     

西北太平洋台风在S2S时间尺度预报效果评估

使用世界气象组织季节内至季节尺度（Subseasonal to Seasonal, S2S）预测项目数据库评估了多个集合预报系统在S2S时间尺度对台风的预报能力。评估的时间段为1999—2010年期间每年5月1日—10月31日。为评估S2S时间尺度台风的预报技巧,使用了台风密集度来描述台风的生成及移动状况。台风密集度定义为一段时间内500 km范围内台风出现的概率。台风密集度由6个S2S集合预报系统后报结果计算得出,它们分别由BoM、CMA、ECMWF、JMA、CNRM和NCEP开发使用。这6个预报系统台风密集度的预报技巧评分表明,当预报时效为11~30天时,ECMWF预报系统的评分为正值,比基于气候状态的参考预报能略好地预报台风。      

SOME ASPECTS OF OBJECTIVE FORECASTING OF TROPICAL CYCLONE MOTION

As shown in a statistical analysis of the relationship between environmental fields at varied timeand tropical cyclone motion, the forecasting ability of the initisl environmental field predictors for tropical cyclone motion decreases with the increase of valid time period of forecast;it is higher with these predictors at a fUture time than at an initial time. The work also indicates that for the tropical cyclone motion over a given period of valid forecast, better predictors appear at times mostly differing from thevalid periods; for periods at 48-120 h the environmental predictors at 48-72 h are more capable of forecasting. With statistical interpretation of NWP products, a predictive model for tropical cyclone motionis superior in performance over a statistical forecasting model that employes predictors of the initial field in the basic framework. The concluding remarks can be used as reference in the construction of an objective prediction model for tropical cyclone motion.     

Impacts of a Large-scale Adaptive Blending Scheme for CMA-MESO on Regional Forecasts-A Case Study of Typhoon Haima

Large-scale atmospheric information plays an important role in the regional model for the forecasts of weather such as tropical cyclone (TC). However, it is difficult to be fully represented in regional models due to domain size and a lack of observation data, particularly at sea used in regional data assimilation. Blending analysis has been developed and implemented in regional models to reintroduce large-scale information from global model to regional analysis. Research of the impact of this large-scale blending scheme for the Global / Regional Assimilation and PrEdiction System (CMA-MESO) regional model on TC forecasting is limited and this study attempts to further progress by examining the adaptivity of the blending scheme using the two-dimensional Discrete Cosine Transform (2D-DCT) filter on the model forecast of Typhoon Haima over Shenzhen, China in 2016 and considering various cut-off wavelengths. Results showed that the error of the 24-hour typhoon track forecast can be reduced to less than 25 km by applying the scale-dependent blending scheme, indicating that the blending analysis is effectively able to minimise the large-scale bias for the initial fields. The improvement of the wind forecast is more evident for u-wind component according to the reduced root mean square errors (RMSEs) by comparing the experiments with and without blending analysis. Furthermore, the higher equitable threat score (ETS) provided implications that the precipitation prediction skills were increased in the 24h forecast by improving the representation of the large-scale feature in the CMA-MESO analysis. Furthermore, significant differences of the track error forecast were found by applying the blending analysis with different cut-off wavelengths from 400 km to 1200 km and the track error can be reduced less than by 10 km with 400 km cut-off wavelength in the first 6h forecast. It highlighted that the blending scheme with dynamic cut-off wavelengths adapted to the development of different TC systems is necessary in order to optimally introduce and ingest the large-scale information from global model to the regional model for improving the TC forecast. In this paper, the methods and data applied in this study will be firstly introduced, before discussion of the results regarding the performance of the blending analysis and its impacts on the wind and precipitation forecast correspondingly, followed by the discussion of the effects of different blending scheme on TC forecasts and the conclusion section.     

Shapley-模糊神经网络方法在华南台风卫星云图的长时效滚动预测中的应用

为了更好地利用大量的卫星云图观测资料来提高台风暴雨的预报能力,解决并提高对台风强降水云系变化的预报精度,延长对未来云系变化的预报时效,构建基于合作对策Shapley-模糊神经网络的华南区域台风卫星云图非线性智能计算滚动集合预测模型,对增强卫星云图资料在台风暴雨天气预报中的实用性和及时性具有重要意义.依据2013—201...