国家气象中心中期集合预报系统概况

随着对大气初值及数值模式存在不确定性的认识以及计算机技术的飞速发展，集合预报已经成为数值预报发展的重要方向之一。本文介绍集合预报的基本概念及初值扰动的特点和国家气象中心集合预报系统的概况。     

基于多中心TIGGE资料的区域GRAPES集合预报初步试验

基于全球交互式大集合(TIGGE)预报资料,研究利用TIGGE全球集合预报大尺度不确定信息,构造区域GRAPES集合预报的初值扰动方法和试验方案,并对2008年7月22日发生在黄淮地区的一次暴雨过程进行了集合预报试验.试验结果表明:构造的初值扰动场能够表征TIGGE全球集合预报初值中的大尺度不确定信息,区域GRAPES集合预报系统可以捕获极端降水天气,对降水预报具有显著的改进作用,集合预报平均及降水概率预报能有效地反映暴雨降水特点,暴雨发生概率较高的区域与实况对应关系较好.积分初期,暴雨的预报一致性(集合离散度)和预报技巧(集合平均预报均方根误差)之间的关系显示了区域GRAPES集合预报系统是合理的,但积分后期,由于模式在积分过程中的动力调整作用,减小了初值扰动对预报结果的影响,限制了集合离散度的增长速度.     

Validation of Strategies using Clustering Analysis of ECMWF EPS for Initial Perturbations in a Limited Area Model Ensemble Prediction System

One of the main challenges for a skilful Limited Area Model Ensemble Prediction System (LAMEPS) is the generation of appropriate initial perturbations. In most operational LAMEPSs, the initial perturbations are provided by a global Ensemble Prediction System (EPS). Molteni et al. (2001 Marsigli, C., Montani, A., Nerozzi, F., Paccagnella, T., Tibaldi, S., Molteni, F. and Buizza, R. 2001. A strategy for high-resolution ensemble prediction. II: Limited-area experiments in four Alpine flood events. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127: 2095–2115. (doi:10.1002/qj.49712757613)[Crossref], [Web of Science ®] , [Google Scholar]) proposed clustering analysis as an objective selection criterion to choose a member from the global European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF)-EPS model as initial perturbations in LAMEPS. In this article, another strategy for using the clustering method is investigated which ensures that initial perturbations are centred on the control analysis. The main purpose of this article is to study the benefit of cluster analysis and to validate the effect of different clustering strategies on the performance of a 17-member LAMEPS. The system used in this study is the operational Aire Limitée Adaptation Dynamique Développement InterNational-Limited-Area Ensemble Forecasting (ALADIN-LAEF) model.

Three experiments were carried out over a 50-day period to validate different clustering strategies: i) representative members of 16 clusters from the 50-member ECMWF-EPS, where initial perturbations are not necessarily centred; ii) representative members from eight clusters and the symmetric pairs from ECMWF singular vector analysis; and iii) eight arbitrarily chosen ECMWF-EPS singular vector pairs. Results of the verified experiments show that the statistical reliability of ALADIN-LAEF improves when clustering is applied, but no clear improvement can be seen in the skill of LAMEPS. A case study of a heavy precipitation event confirms the result of the 50-day verification. The validation shows that none of the clustering strategies outperforms any other.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] L'un des principaux défis d'un système performant de prévisions d'ensemble de modèle à domaine limité (LAMEPS) réside dans la génération de perturbations initiales appropriées. Dans la plupart des LAMEPS opérationnels, les perturbations initiales sont fournies par un système de prévisions d'ensemble (EPS) global. Molteni et coll. (2001 Molteni, F., Buizza, R., Marsigli, C., Montani, A., Nerozzi, F. and Paccagnella, T. 2001. A strategy for high-resolution ensemble prediction. I: Definition of representative members and global-model experiments. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127: 2069–2094. (doi:10.1002/qj.49712757612)[Crossref], [Web of Science ®] , [Google Scholar]) ont proposé l'analyse par groupement comme critère de sélection objectif pour le choix d'un membre du modèle EPS global du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) comme perturbations initiales dans le LAMEPS. Dans cet article, nous étudions une autre stratégie d'utilisation de la méthode des groupements, qui assure que les perturbations initiales sont centrées sur l'analyse de contrôle. Le but premier de cet article est d’étudier les avantages de l'analyse par groupement et de valider l'effet des différentes stratégies de groupement sur la performance d'un LAMEPS de 17 membres. Le système utilisé dans cette étude est le modèle opérationnel ALADIN–LAEF (Aire limitée, Adaptation dynamique, Développement InterNational – Prévisions d'ensemble à domaine limité).Nous avons mené trois expériences sur une période de 50 jours pour valider différentes stratégies de groupement: i) membres représentatifs de 16 groupements d'un ECMWF–EPS de 50 membres, où les perturbations initiales ne sont pas nécessairement centrées; ii) membres représentatifs de huit groupements et les paires symétriques issues de l'analyse par vecteurs singuliers du ECMWF; et iii) huit paires issues de l'analyse par vecteurs singuliers du ECMWF-EPS choisies au hasard. Les résultats des expériences vérifiées montrent que la fiabilité statistique du ALADIN–LAEF s'améliore lorsqu'un groupement est appliqué, mais on ne perçoit aucune amélioration nette dans l'habileté du LAMEPS. Une étude de cas d'un événement de fortes précipitations confirme le résultat de la vérification de 50 jours. La validation montre qu'aucune des stratégies de groupement ne surpasse les autres.     

基于ECMWF集合预报产品的降水相态客观预报方法

基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）集合预报系统的降水相态产品（precipitation type,PTYPE）,分别以HSS评分最优、TS评分最优和频率偏差最优为标准,运用最优概率阈值法,生成雨、雨夹雪、雪和冻雨4类降水相态的确定性预报产品,并与ECMWF集合预报系统控制成员及细网格模式确定性预报进行对比。最优概率阈值显示：3种最优标准下,不同相态降水最优概率阈值不同,但冻雨和降雪最优概率阈值均最大,为40%~80%,雨夹雪最优概率阈值最小,约为10%,三者最优概率阈值均随预报时效延长而减小;降雨最优概率阈值为7%~25%,随预报时效延长而增大。对比检验结果显示：最优概率阈值法明显提高了降水相态预报能力,且以HSS评分最优时预报效果最佳;最优概率阈值法有效减小冻雨空报,同时显著改善降雨和降雪预报的频率偏差和TS评分,对雨夹雪预报改进效果有限。     

ENSO集合预报系统的检验评价

讨论了一个热带太平洋海气耦合集合预报系统集合预报的检验问题。该集合预报系统模式为一个中等复杂程度的耦合模式,其中大气部分为统计模式,海洋部分为动力模式。初始扰动利用集合Kalman滤波同化得到,模式误差扰动由一个一阶马尔可夫随机微分方程生成,预报集合样本为100个。利用1995~2005年的观测资料进行了确定性预报检验,包括相关系数和均方根误差。在概率预报检验方面,包括Talagrand概率分布、离散度、Brier评分(BS)、命中率以及空报率的统计检验,并且根据检验结果对预报系统进行了初步评价。确定性检验表明,集合样本均值的预报水平在热带中太平洋区域要高于热带东太平洋和沿岸区域。同时概率预报检验结果表明,集合预报系统有较高的概率预报技巧,对确定性预报是一个完善和补充。     

国家级区域集合预报系统研发和性能检验

该文简要介绍了中国气象局国家气象中心研发的区域中尺度集合预报系统主要技术特点:在初值扰动技术方面,通过研究中国地区中尺度模式预报误差快速增长特点、中国地形地貌特征与观测资料的分布情况,研发适合于中尺度模式的增长模繁殖法扰动技术构造初值场;分析数值模式物理过程参数化方案内在的不确定性以及对强对流天气和近地面要素预报的差异,确定多物理过程扰动技术方案。解决全球集合预报扰动信息向中尺度集合预报输入的关键技术,实现中尺度区域集合预报系统与全球中期集合预报系统的嵌套。在模式后处理方面,解决中尺度集合预报结果的偏差订正技术;开发满足多种需求的多要素、多层次概率预报产品和概率预报检验产品。在世界天气研究计划"2008年北京奥运会中尺度集合预报研究开发项目"3年实时预报试验比较评价中,中国气象局国家气象中心区域中尺度集合预报系统总体预报能力与国外同类系统相当。     

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。     

Evaluation of the NMC Regional Ensemble Prediction System During the Beijing 2008 Olympic Games

Based on the B08RDP (Beijing 2008 Olympic Games Mesoscale Ensemble Prediction Research and Development Project) that was launched by the World Weather Research Programme (WWRP) in 2004, a regional ensemble prediction system (REPS) at a 15-km horizontal resolution was developed at the National Meteorological Center (NMC) of the China Meteorological Administration (CMA). Supplementing to the forecasters’ subjective affirmation on the promising performance of the REPS during the 2008 Beijing Olympic Games (BOG), this paper focuses on the objective verification of the REPS for precipitation forecasts during the BOG period. By use of a set of advanced probabilistic verification scores, the value of the REPS compared to the quasi-operational global ensemble prediction system (GEPS) is assessed for a 36-day period (21 July–24 August 2008). The evaluation here involves different aspects of the REPS and GEPS, including their general forecast skills, specific attributes (reliability and resolution), and related economic values. The results indicate that the REPS generally performs significantly better for the short-range precipitation forecasts than the GEPS, and for light to heavy rainfall events, the REPS provides more skillful forecasts for accumulated 6- and 24-h precipitation. By further identifying the performance of the REPS through the attribute-focused measures, it is found that the advantages of the REPS over the GEPS come from better reliability (smaller biases and better dispersion) and increased resolution. Also, evaluation of a decision-making score reveals that a much larger group of users benefits from using the REPS forecasts than using the single model (the control run) forecasts, especially for the heavy rainfall events.     

欧洲中心集合预报在中国区域中期时效离散度预报技巧关系分析

预测数值模式对于中期天气预报能力是集合预报的重要应用之一。为研究集合预报在中国区域中期时效(96～360h)预报技巧的预测能力,本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)全球集合预报系统2007—2011年500 hPa高度场和850hPa温度场预报数据,采取两种不同的离散度-预报技巧关系表征方法进行对比分析,结果表明:(1)以均方根误差为表征的预报技巧(RMS_(ENS))和离散度(SP_(RMSE))表现出季节循环特征,即冬(夏)季值高(低),这是大气内在性质的表现。而以距平相关为表征的预报技巧(AC_(ENS))和离散度(SP_(AC))没有显著的内在季节变化特征。(2)对比分析两种不同表征的离散度-预报技巧关系可知,以距平相关为表征的离散度-预报技巧关系更能反映中期时效的预报技巧,且850 hPa温度场较500 hPa高度场二者的相关性更好。(3)定量分析离散度-预报技巧关系表明,小离散度情况下更能体现高的预报技巧,但这种关系从96～360 h样本百分比下降了20%左右,而在大离散度情况下离散度-预报技巧关系相对弱一些,且随预报时效的延长样本百分比没有显著的降低。(4)样本统计显示中期各时效SP_(RMSE)和SP_(AC)二者一致的样本占59%～66%,并没有显示较高的一致性特征。上述分析结果为集合预报在中期时效预报技巧预测方面提供定性和定量的参考。     

重庆风暴尺度集合预报系统降水预报性能分析

本文利用重庆风暴尺度集合预报系统业务存档的2017年8月1～31日逐日08时起报的模式预报资料及相应的观测资料对该系统的降水预报进行了检验评估及综合分析,综合各种检验结果,总体而言:该系统集合平均和概率匹配平均等集合预报产品相对于控制预报表现出了较明显的优势;小雨和中雨量级降水集合平均的TS评分优于概率匹配平均;大雨和暴雨量级降水概率匹配平均的TS评分优于集合平均;各预报时效的Talagrand分布均表现出实况落在第11个概率区间的概率明显高于其他概率区间,需要在今后的科研和业务中加以关注;Outlier评分介于0.12～0.26;降水概率预报检验方面,各个降水量级的预报失误概率Brier评分和相对作用特征技巧评分AROC均较为理想。总体而言,该系统在降水预报方面相对于单一的确定性预报而言表现出了一定的优势。     

重庆中尺度集合预报系统预报性能分析

本文利用2017年6～8月重庆中尺度集合预报系统逐日20时起报的预报资料及相应的观测资料对该系统的预报性能进行了综合分析,结果表明：500hPa位势高度、850hPa温度和2m温度的集合平均预报的均方根误差均优于控制预报,集合离散度均明显低于集合平均的均方根误差,Talagrand分布均呈现出“J型”或“U型”分布,500hPa位势高度和850hPa温度Outlier评分介于0.26～0.32,2m温度的Outlier评分普遍较高,总体介于0.33～0.67;降水预报方面,集合平均和概率匹配平均相对于控制预报表现出了较为明显的优势;小雨和中雨量级降水集合平均的TS评分明显优于概率匹配平均;大雨和暴雨量级的降水概率匹配平均的TS评分明显优于集合平均;0～24小时和24～48小时累计降水的Talagrand分布呈现出一定的“U型”分布且0～24小时更为明显,其余时效较为理想,Outlier评分随预报时效的延长而减小,最高0.31,最低0.20;降水概率预报检验方面,各个降水量级的Brier评分和相对作用特征技巧评分AROC均较为理想。总体而言,该系统相对于单一的确定性预报表现出了一定的优势。     

长江上游暴雨短期集合预报系统试验与检验

基于PSU/NCAR的高分辨率MM5模式,采用多物理方案构建长江上游中尺度集合预报系统,于2004年8月16日—9月30日进行了预报试验。降水集合预报检验表明,在25mm以上级别的降水预报中,集合预报能改进单一模式的预报能力。对“9·3”暴雨过程的检验表明,降水集合预报平均对暴雨过程的开始、持续、结束时间均有预报指示意义,特别是大于50mm的降水概率分布区域和值的大小对预报大降水的范围有指导作用。     

A Comparison of Breeding and Ensemble Transform Vectors for Global Ensemble Generation

To compare the initial perturbation techniques using breeding vectors and ensemble transform vectors,three ensemble prediction systems using both initial perturbation methods but with different ensembl...     

上海区域降水集合预报系统的建立与运行结果的检验

以MM5模式为基础, 从预报模式的不确定性出发形成8个集合成员, 建立了上海区域降水集合预报系统。该系统实现从资料收集、资料处理、模式预报到预报结果处理与产品输出的全自动化, 于2005年8月1日开始业务运行, 运行稳定可靠。对系统8—10月的运行结果进行检验, 结果表明:集合预报系统对降水的总体预报效果尚可, 其中对量级小的降水的总体预报效果更好, 集合预报产品尤其是概率预报产品具有一定的参考价值, 但系统还存在发散度偏小的问题, 有待进一步改进。     

国外几套再分析资料的对比与分析

针对目前最主要的3种再分析资料NCEP、ECMWF、JMA,从各家再分析中心所采用的同化方案、所用到的数据、质量控制方法及相关的偏差校正方法方面,进行相关介绍和对比,以便对再分析资料的特点有更为充分的了解,对我国未来再分析工作的发展起到借鉴作用。通过对比发现,各家再分析中心采用的同化方案主要为三维、四维变分方法和最优插值法。各家最主要的差别在于所选用的数据类型不同,以及所采用模式在分辨率上的差异。此外,还从经验出发简要给出了各类再分析资料在不同方面的优缺点,从而为各类再分析资料的选择使用方面提供参考。简单陈述了国内再分析工作的进展,并给出了提高我国再分析工作质量所需要关注和亟待解决的问题。     

集合预报业务使用现状和趋势

依据 1999年 11月 14～ 19日在欧洲中期天气预报中心举行的第 7届天气预报业务系统研讨会的情况 ,对集合预报的业务使用现状、集合预报产品以及未来趋势进行了介绍     

业务集合预报系统的现状及展望

集合预报系统从原理上讲也可称之为概率预报系统，其最终目的是要提供所有大气变量的完全概率预报，近几年集合预报技术从以前仅考虑初值的不确定性发展为也考虑模式的不确定性，进而发展了多模式－多分析集合预报技术等，阐述了目前业务集合以预报的一些问题，如扰动初值的生成，多模式集合预报，集合预报产品的应用，检验评价等，介绍了近几年集合预报的新进展及该技术的未来发展趋势。     

NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述

总结了目前最具代表性的3个全球集合预报系统（global ensemble forecast system,GEFS）——美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）和加拿大气象中心（Canadian Meteoro-logical Centre,CMC）建成至今的发展概况。由于计算资源的不断扩展,各中心集合预报系统的模式分辨率、集合成员数也随之增加。同时各中心都在不断地致力于发展和完善初始和模式扰动方法,来更好地估计与初值和模式有关的不确定性,促进预报技巧的提高。其中初始扰动方法从最初的奇异向量法（ECMWF）、增殖向量法（NCEP）和观测扰动法（CMC）更新为现在的集合资料同化—奇异向量法（ECMWF）、重新尺度化集合转换法（NCEP）和集合卡尔曼滤波（CMC）。在估计模式不确定性方面,ECMWF和CMC都修订了各自的随机参数化方案和多参数化方案,NCEP最近也在模式中加入了随机全倾向扰动。为提高全球高影响天气预报的准确率,TIGGE计划（the THORPEX interactive grand global ensemble）的提出增进了国际间对多模式、多中心集合预报的合作研究,北美集合预报系统（North American ensemble forecast system,NAEFS）为建立全球多模式集合预报系统提供了业务框架,这都将有助于未来全球交互式业务预报系统的构建     

ECMWF集合预报统计量产品在重庆降水预报中的检验与分析

利用ECMWF集合预报降水资料和重庆市自动站降水资料,运用晴雨、TS评分、预报偏差等检验方法对重庆地区2014—2016年ECMWF集合预报降水产品在短期时效的预报性能进行检验分析。结果表明:最小值的晴雨预报准确率最高。对于TS评分检验,小雨量级可优先参考最小值、10%分位数和融合产品,中雨量级参考平均数和概率匹配平均,大雨和暴雨量级分别参考75%分位数和90%分位数。对于预报偏差检验,小雨量级可优先参考最小值、Mode,中雨量级参考融合产品、中位数,大雨量级参考控制预报、融合产品,暴雨量级参考90%分位数。对于百分位值预报产品和概率预报产品,小雨量级可参考5%～10%分位数和80%～90%概率预报产品,中雨量级可参考45%～55%分位数和40%概率预报产品,大雨量级可参考70%～80%分位数和20%概率预报产品,暴雨量级可参考90%～95%分位数和10%概率预报产品。     

基于TIGGE资料的西太平洋热带气旋多模式集成预报方法比较

基于TIGGE资料中CMA、ECMWF、JMA和NCEP四中心2010、2011和2012年3年的资料,采用集合平均（EMN）、加权集合平均（WEMN）、消除偏差集合平均（BREM）和加权消除偏差集合平均（即超级集合,SUP）四种方法,对西太平洋地区热带气旋路径与中心气压进行时效为24、48、72、96和120 h的多模式集成预报,评估了不同单中心预报结果,并分析了不同多模式集成预报方法的特点,对比了不同多模式集成方法的效果。结果表明,对于热带气旋路径和中心气压预报,各中心预报技巧不同,其中3年的CMA预报效果均较差,2010、2011年的ECMWF预报和2012年的NCEP预报效果最优;总体上几种多模式集成方法在120 h预报时效内均优于单模式预报,其中EMN作为一种最简单的集成预报方法,具有一定的局限性,而WEMN由于给不同单模式预报赋予了权重,因此相对于EMN能够得到更好的多模式集成预报结果;BREM方案由于消除了模式预报中的系统性偏差,因此集成预报效果也优于EMN;由于去除了模式预报偏差,同时给不同模式赋予了权重,SUP方案得到的集成预报效果最优。