集合敏感性在预报误差及可预报性研究中的应用进展综述

研究大气的可预报性和预报误差产生的原因,对于改进数值预报,提升业务预报技巧具有重要意义。集合敏感性基于具有流依赖特性的集合预报,通过建立预报与初始场或前期预报大气状态之间的统计关系,为揭示与预报对象可预报性相关的动力学特征及理解预报误差来源和传播机制提供了一种新方法。同时,介绍了集合敏感性的定义和度量,并综述了其针对典型天气系统和高影响天气事件研究的进展,并讨论了该方法的优势和局限性。     

川渝地区一次短时强降水天气的集合敏感性分析

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机制。主要结论如下：敏感区的分布与对目标区域降水起到关键影响作用的系统有较好的对应：850 hPa和700 hPa西南低涡周围的敏感区呈现出正负相间的分布特征,500hPa低压槽左（右）侧为负（正）敏感区,250 hPa高空西南急流区域（南侧）为正（负）敏感区,中低层与锋区前（后）部对应区域为正（负）敏感区。说明西南低涡周围负（正）敏感区的西北（东南）风越强,低压槽左（右）侧西北（东南）风越强,高空急流区域（南侧）西南（东北）风越强以及锋前（后）温度越高（低）,则越有利于西南低涡内的辐合上升运动,500 hPa低压槽的加强,250 hPa高空辐散的加强,锋区温度梯度增大以及锋面抬升作用加强等并对目标区域的降水产生正面的影响。     

基于集合预报的台风“利奇马”登陆后远距离暴雨预报的敏感性分析

2019年第9号台风“利奇马”在8月10日登陆后引发了远距离大范围的暴雨,本文利用ECMWF(EC)和GRAPES全球集合预报模式等资料对暴雨短期预报的误差及原因进行了分析。此次台风远距离暴雨主要集中在8月10日夜间的山东中部地区,EC集合预报对该区域的降水量预报效果总体优于GRAPES集合预报。集合敏感性分析可以识别出和预报变量高相关(敏感)的天气系统,结果表明山东区域平均降水量对同期500 hPa副高、台风西北侧海平面气压和山东北部低层温度较为敏感,而对流层高层的高度及经向风存在更大范围的敏感区。根据暴雨预报TS评分选取EC集合预报成员作为优势组和劣势组,结果表明优势组预报成员表现为山东上空300 hPa低槽前倾,北侧高空偏南急流更强,同时配合低层台风外围偏东风急流,形成高层辐散、低层辐合的有利条件。另外,优势组预报的中纬度低层冷空气和斜压锋区更强,导致优势组在山东中部预报出暴雨,更加接近于实况。     

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。     

热带气旋路径集合预报方法研究Ⅰ——正压模式结果的初步分析

选择1979～1993年间的热带气旋为试验个例,通过扰动热带气旋初始位置和初始结构,构造集合成员, 用正压原始方程模式,进行路径集合预报试验, 并初步探讨预报成员的集合方法。试验结果表明:热带气旋定位误差影响路径预报,但扰动初始位置的集合平均预报与控制试验的预报水平相接近。扰动热带气旋初始结构的集合预报试验表明,约有60 %～70 %个例的集合路径预报得到改进。此外,试验结果还表明,当环境引导气流较弱时,进行扰动热带气旋初始结构的集合预报,预报结果的改善较明显。     

滞后平均法（LAF）在热带气旋路径集合预报中的应用

本文用-正压模式，采用滞后平均法(LAF)对2000年热带气旋进行路径集合预报试验，并与基于热带气旋初始结构扰动的集合预报方法进行了比较分析，结果表明LAF方法对热带气旋路径预报具有较好的改进作用。但LAF的集合预报效果受模式本身误差的影响，在完美模式的假设下，LAF集合预报相对于控制试验的技巧水平20～40％。     

一次沿海局地特大暴雨的集合敏感性分析

利用常规观测资料和EC集合预报资料,基于集合敏感性方法 ,首先分析了2018年10月21日广西沿海局地特大暴雨过程的降水影响天气系统及关键区,并进一步分析了集合预报效果,得到不同层次气压场及风场的降水敏感特征以及集合预报降水预报偏差的可能主要原因,所得结论可供预报参考。     

高速公路高影响天气风险预报预警技术

阐述了高速公路高影响天气风险预报预警技术的思路、方法、业务化应用及效益产出,详细介绍了基于"风险普查—风险区划—典型个例灾害评估—建立风险预警和影响预报客观模型"的高速公路高影响天气风险预报预警技术方法。现阶段,为交管部门发布风险预报预警产品十分必要,但是在多源数据融合分析应用等方面还存在诸多薄弱环节,需进一步深入研究。     

预报异常极端高影响天气的 “集合异常预报法”：以北京2012年7月21日特大暴雨为例

对罕见极端高影响天气,既使一个模式有能力预报它,其数值预报也至少有以下难点:一是有多大把握确定所预报的天气是极端事件？二是其具体的定时、定量、定点预报可靠吗？本文介绍了集合预报和气候资料相结合的 “集合异常预报法”,并通过北京2012年7月21日（7.21）特大暴雨事件揭示出“集合异常预报法”和集合预报可以提供比单一模式预报更可靠和更准确的信息,从而可有效地缓解上述两大难点。作者建议中央气象台和其他有条件的台站可采用这种办法提高重大灾害性天气的预报能力。文中具体讨论了如下三方面:（1）标准化异常度（SA）的定义以及它同集合预报相结合提高对罕见极端高影响天气预报的可靠性,并由此可导出一个“社会影响矩阵”来定量地表达一个预报对社会的潜在影响;（2）利用集合预报,特别是多模式集合预报可以克服单一模式前后预报的跳跃性或不连续性问题,由此可延长实际可预报时效,如北京7.21事件超过100 mm大暴雨的实际可预报时效提前了2天;（3）SA还有助于认识异常天气发生的原因:从SA的分布看,造成北京7.21 大暴雨事件的短期天气尺度背景因素是从西北方向移来的冷锋和台风倒槽的相遇;从SA的演变看,该事件的中期大背景因素是在北京东北方向有阻塞高压发展并导致北京以西地区的低槽加强和发展（地面强冷空气堆积）,在高纬度形成了一个高、低压系统相间的波列,发展并维持,同时诱导热带系统北进。     

热带气旋影响防城港市天气分析

以2001-2008年问进入广西影响区域界线的24个热带气旋对防城港市造成的影响作对比分析,找出几类天气与热带气旋的中心强度、位置和移动路径的关系,并探讨防城港市出现台风暴雨和强风天气与热带气旋进入广西影响线后时间先后的联系.     

北半球温带气旋的变化

许多学者对近半个世纪以来温带气旋的频数、强度和路径的年际、年代际变化等特征进行了研究,并探讨了温带气旋变化与大气环流的关系,试图揭示气候变暖背景下温带气旋变化的可能原因。较为一致的研究结论是：在全球变暖背景下,北半球气旋活动的变化显示出在中纬度明显减少,而在高纬度增加的趋势,意味着气旋的路径已经明显地北移。研究还表明,气旋活动的变化与对流层斜压性、急流以及北大西洋涛动、海温梯度等因素有关。     

对T213降雨预报在广西非汛期内转折天气之灵敏度指数分析

应用2002年10月1日至2003年3月31日逐日20hT213Rain3-P的0～72h预报结果,对广西区域非汛期内之雨与无雨转折之灵敏度指数以及同期中雨及以上降雨的诊断成功率作系统的分析,发现它们具有明显的地区性、季节性特征,对业务工作的开展提供了有益的参考。     

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...     

螺旋度应用研究综述

螺旋度是一个描述环境风场气流沿运动方向旋转和运动强弱的物理参数,它反映了大气的运动场特征,能够很好地描述大气运动的性质和特点。文中介绍了螺旋度的理论研究动态和主要应用结果,从螺旋度诊断天气系统领域的拓展,螺旋度自身理论的不断完善以及螺旋度在应用研究中存在的不足等方面进行分析,指出螺旋度是天气预报以及与暴雨有关研究工作的最好工具之一,同时对螺旋度应用的研究前景作了展望。     

The Use of Rank Histograms and MVL Diagrams to Characterize Ensemble Evolution in Weather Forecasting

Rank Histograms are suitable tools to assess the quality of ensembles within an ensemble prediction system or framework. By counting the rank of a given variable in the ensemble, we are basically making a sample analysis, which does not allow us to distinguish if the origin of its variability is external noise or comes from chaotic sources. The recently introduced Mean to Variance Logarithmic (MVL) Diagram accounts for the spatial variability, being very sensitive to the spatial localization produced by infinitesimal perturbations of spatiotemporal chaotic systems. By using as a benchmark a simple model subject to noise, we show the distinct information given by Rank Histograms and MVL Diagrams. Hence, the main effects of the external noise can be visualized in a graphic. From the MVL diagram we clearly observe a reduction of the amplitude growth rate and of the spatial localization (chaos suppression), while from the Rank Histogram we observe changes in the reliability of the ensemble. We conclude that in a complex framework including spatiotemporal chaos and noise, both provide a more complete forecasting picture.     

1993年北半球环流特征及其对我国天气气候的影响

１９９３年北半球主要环流特征表现为：５００ｈＰａ副产持续加强西伸，位置偏南；亚洲中纬度春，夏经向环流发展，东亚太平洋遥相关型稳定；西藏高原５００ｈＰａ位势高度持续偏高，印缅槽持续偏弱；１００ｈＰａ位势高度场低纬持续偏高，中，高纬持续偏低，夏季南亚高压位置异常偏高。热带海洋出现明显异常，一次新的厄尔尼诺现象发生。热带海洋和北半球大气环流的异常对我国天气气候产生明显影响。     

陆面特征量初始扰动的敏感性及集合预报试验

文章利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)3.2.1版本及National Centers for Environmental Prediction(NCEP)分析资料,研究了陆面变量(土壤湿度、土壤温度)和陆面参数(植被覆盖率)初始场随机扰动对长江中下游暴雨预报的影响并进行了集合预报试验。试验结果表明,短期暴雨过程对陆面变量(参数)扰动是敏感的;陆面变量(参数)初始场扰动影响降水的时间尺度小于10 h甚至可以小于6 h。从影响机理上来看,陆面变量(参数)扰动首先改变地表的潜热通量和感热通量,而地表通量的改变会通过陆气相互作用对局地大气的温、压、湿、风产生较大影响,从而对暴雨的强度和落区产生较大影响。集合预报结果表明,利用陆面变量(参数)扰动制作集合预报,预报的集合平均结果要好于控制预报的结果,且比集合成员稳定可靠,降水概率预报可以提供一些有用的信息,对预报强降水有一定的指示意义。在初值集合预报中,以这些参数或变量的扰动来引进集合成员是十分有意义的。