黄海近岸海雾的初始场择优集合预报试验:个例研究

选取2014年4月发生的一次黄海近岸海雾个例,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展了集合预报试验研究。依据每个集合成员初始场中海平面气压、2 m温度、2 m水汽混合比与2 m相对湿度(relative humidity, RH)4个变量的均方根误差(root mean square error, RMSE)与RMSE集合平均值的相对大小,以剔除高于者而保留低于者的原则,设计了4种不同的初始场集合体择优方案,实施了一系列数值预报试验,比较了不同择优方案的集合预报效果。研究结果表明:(1)蒙特卡罗方法所生成的集合体中存在不少海雾预报效果较差的成员,这会降低集合预报效果,因此初始场择优十分必要;(2)以RH作为择优变量的择优方案(记为RH-RMSE方案),集合预报效果明显优于其他3种方案;(3)对比不择优集合预报,采用RH-RMSE方案的择优集合预报效果不仅节省了50%左右的计算时间,并且公正预兆评分(equitable threat score,ETS)改进率高达36%左右。本研究提出的RH-RMSE方案具有业务化应用前景。     

“梅花”台风路径与强度的集合预报

以新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统-热带气旋路径数值预报系统(global/regional assimilation and prediction system-tropical cyclone model,GRAPES-TCM)为试验模式,采用组合不同的物理参数化方案(MP)方法和随机全倾向扰动(STTP)方法,生成反映模式不确定性的集合成员,在此基础上设计包含6个成员的3种集合方案,方案1和方案3的成员分别用MP方法和STTP方法生成,方案2的成员同时采用MP和STTP方法生成,用3种集合方案对1109台风"梅花"进行了36次72h的集合预报试验。结果显示:对于路径预报,3种集合方案中预报效果最好的是方案3,其次为方案2,最差的是方案1;对于强度预报,方案1和方案2的预报效果差异不大,都远好于方案3。方案2和方案3的路径预报与强度预报都好于控制试验的预报,方案1的路径预报好于大部分成员的预报,强度预报好于所有成员的预报。3种方案的路径离散度都偏小,方案3偏小最多,其次为方案2;方案3的强度离散度也过于偏小,是3种方案中最小的,方案1和方案2的强度离散度在积分前期明显偏小,积分后期则有偏大的趋势,其中方案2的强度离散度大于方案1。与国内外8个业务数值模式的预报结果比较,对于路径预报,方案1优于5个业务模式的预报,方案2和方案3则优于除欧洲数值以外的7个业务模式的预报;对于强度预报,方案1和方案2优于所有8个业务模式的预报,方案3优于6个业务模式的预报。总体而言,3种集合方案的路径和强度预报都表现出优于确定性预报的预报能力,相对于各业务数值模式都表现出一定的预报优势,具有业务应用的价值,其中同时应用STTP和MP方法的方案2对台风的综合预报效果是最优的。     

EnKF集合同化下黄海海雾数值确定性预报初始场构造方法的探究

在黄海海雾的数值模拟中,EnKF（ensemble Kalman filter）是一种优于3DVAR（three-dimensional variational）的数据同化方法。研究发现,对EnKF初始场集合体采取常用的集合平均所产生的确定性预报初始场,会出现初始场中海雾在预报开始后就迅速消失以及接下来海雾难以生成的异常现象。通过详细的海雾个例研究,清晰地揭示并解释了此现象,指出这是集合平均造成初始场中云水与温度湿度之间存在不协调关系所导致的后果,并提出了一种择优加权平均方法来取代常用的集合平均。研究结果表明,海雾确定性预报采用择优加权平均所构建的初始场,可以消除上述异常现象,显著改进海雾模拟效果。     

WRF Hybrid方法同化HY-2A散射计风资料在台风“菲特”预报中的应用

选取台风"菲特"(Fitow,201323)临近登陆过程为试验个例,在WRF模式基础上,采用4种不同的初始化方案,对台风"菲特"进行了72 h预报试验,并分析了模式的初始化对预报效果的影响。试验结果表明,对于台风路径的预报,使用集合平均作为初始场进行预报,预报结果相对直接使用GFS资料作为初始场进行预报的结果有明显改善,使用3DVAR同化方法,将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径预报进一步有所改善,而使用Hybrid同化方法将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径进而又有明显改善;但是在台风强度方面的预报,4种初始化方案效果不相上下。     

一次黄海海雾的集合预报试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其杂合三维变分(Hybird-3DVAR)同化模块,对2006年3月发生的一次大范围黄海海雾进行了集合预报尝试。详细分析了其预报效果,并与决定性预报结果作了比较。研究揭示:集合预报50%概率雾区预报的公正预兆得分(Equitable threat score,ETS)优于决定性预报大约29%;集合预报中加入海温扰动非常必要,对浓雾预报改善作用明显,ETS提高至少10%;在集合预报中混用YSU与MYNN边界层方案的做法,可以降低只使用其中之一可能导致的预报误差。研究表明,借助Hybrid-3DVAR开展黄海海雾的集合预报技术上可行,集合预报将成为黄海海雾数值预报的一种有希望的途径。     

集合成员个数对集合预报技巧影响的试验分析

利用全球中期预报模式T63L9,选取2004年6月4日至13日10d作为试验个例进行了集合预报试验,分析了不同集合成员个数对于预报结果的影响。结果表明,集合预报的技巧都明显高于单个控制预报。在集合成员较少时,随集合成员教的增加,集合预报的技巧提高明显,当集合成员数多于11个时,集合预报的效果提高缓慢。在中期预报时段内。集合成员数11为集合预报效果随集合成员教趋于饱和的临界值,如果继续增加成员数.预报效果提高较少,但计算量却大大的增加。本文只是单个试验个例的分析结果。为验证结论的普适性,还需要进行更多的试验。     

热带气旋中期路径的动力相似预测方案

提出一个西北太平洋热带气旋中期路径的动力相似预测方案.方案应用热带气旋初始参数和数值预报产品,构造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路径进行坐标变换、相似指数的权重综合和惯性动力修正,得到热带气旋中期预报路径.预报试验表明该方案具有预报技巧.     

ECMWF和GFS模式对一例温带气旋预报性能的对比分析

利用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)的确定性、集合(平均值和标准差)预报产品和NCEP/GFS(美国国家环境预报中心/全球预报系统)的确定性预报产品,对比分析了它们对西南太平洋一例中α尺度温带气旋的预报性能,结果表明:GFS10—7天前的形势预报较差,6—4天的形势预报较好,但对气旋的强度和位置预报较差;ECMWF确定性模式对该气旋的中期形势预报较GFS模式稳定,两家模式短期形势预报都很准确;ECMWF集合(平均)预报的中期形势较确定性预报更稳定,对天气系统位相的预报更准确,但强度预报偏弱,其标准差场可以定性评估形势场预报的准确性;上述三类产品的综合预报可以有效改善NMWW3(多重网格WAVEWATCHⅢ)模式海浪中期形势和短期要素预报。     

基于数据库的温带气旋相似路径预报方法

本文提出了基于我国东部以东（23°～50°N 、110°～150°E）温带气旋资料（1989～1988年）数据库的一种气旋相似路径预报方法。在存储上述温带气旋资料的关系型数据库的基础上,采用增设若干定义域（如相似路径选择条件以及间隔12、24小时的气旋位置等）,构成一个可直接用于相似路径预报的扩充数据库。然后利用DBASE-Ⅲ较强的检索功能,选择出相似气旋路径。预报试验表明,本方法客观易行,预报精度略优于主观外推预报,可在业务预报中应用。     

基于EC集合预报的渤海灾害性大风风速预报方法研究

利用2014—2015年渤海埕北A平台逐小时风场特征对7级以上且持续6 h以上的大风个例进行统计,共出现36次大风过程。利用欧洲中心集合预报51个预报成员分别比较最优成员和最优百分位预报产品在预报海上大风风速预报的效果,结果表明:EC集合预报对于7级以上大风有低估的效果,从优选成员来看,集合预报最优成员并不唯一确定;6种(最大值、95、90、85、80、75百分位)集合预报百分位预报的10 m风速,多数预报与实况相比是偏小的,利用历史偏差对EC集合预报的误差进行校准,反算校准后误差缩小。总之,集合灾害性大风风速的预报有低估的效果,反算后预报水平有明显提高,可利用EC集合预报最优百分位订正后的10 m风场产品应用于渤海灾害性大风的预报。     

Using a mesoscale ensemble to predict forecast error and perform targeted observation

Using NCEP short range ensemble forecast（SREF） system,demonstrated two fundamental on-going evolutions in numerical weather prediction（NWP） are through ensemble methodology.One evolution is the shift from traditional single-value deterministic forecast to flow-dependent（not statistical） probabilistic forecast to address forecast uncertainty.Another is from a one-way observation-prediction system shifting to an interactive two-way observation-prediction system to increase predictability of a weather system.In the first part,how ensemble spread from NCEP SREF predicting ensemble-mean forecast error was evaluated over a period of about a month.The result shows that the current capability of predicting forecast error by the 21-member NCEP SREF has reached to a similar or even higher level than that of current state-of-the-art NWP models in predicting precipitation,e.g.,the spatial correlation between ensemble spread and absolute forecast error has reached 0.5 or higher at 87 h（3.5 d） lead time on average for some meteorological variables.This demonstrates that the current operational ensemble system has already had preliminary capability of predicting the forecast error with usable skill,which is a remarkable achievement as of today.Given the good spread-skill relation,the probability derived from the ensemble was also statistically reliable,which is the most important feature a useful probabilistic forecast should have.The second part of this research tested an ensemble-based interactive targeting（E-BIT） method.Unlike other mathematically-calculated objective approaches,this method is subjective or human interactive based on information from an ensemble of forecasts.A numerical simulation study was performed to eight real atmospheric cases with a 10-member,bred vector-based mesoscale ensemble using the NCEP regional spectral model（RSM,a sub-component of NCEP SREF） to prove the concept of this E-BIT method.The method seems to work most effective for basic atmospheric state variables,moderately effective for convective instabilities and least effective for precipitations.Precipitation is a complex result of many factors and,therefore,a more challenging field to be improved by targeted observation.     

Kalman滤波风暴潮数值预报四维同化模式研究进展

本文首先介绍了Kalman滤波在风暴潮数值预报中的应用，特别介绍了近年来国际上发展的一些在实际中可行的次优化Kalman滤波算法。并通过一个稳态Kalman滤波风暴潮数值预报模式的实例表明，使用资料同化可以明显改进风暴潮后报结果；资料同化能够提供更为合理的预报初始场，对风暴潮的短期预报有较明显的改进。一旦没有资料同化到模式中去，预报结果很快接近确定性模式。     

On ensemble prediction of ocean waves

The numerical ensemble prediction is a well accepted method for improving the performance of atmospheric models. In the context of ocean wave modeling little has been researched or documented about this technique. An essential study of the method of ensemble prediction applied to deep water waves has been carried out. A framework is defined for obtaining perturbations of the directional wave spectra and for employing an ensemble of wind fields generated by an atmospheric model. The third-generation global wave model WAM is used with real atmospheric conditions to investigate the effect on wave predictions of perturbed initial conditions and atmospheric forcing. Due to spectral shape stabilisation, perturbing wave initial conditions has limited utility in ensemble prediction. However, the members could be used in wave data assimilation schemes in an interactive way. Using ensembles of the atmospheric condition can generate diverging solutions, justifying the ensemble procedure by itself. In the cases studied, it is observed that the ensemble mean outperformed the other members. The solution behaviour suggests using a lower-order approximation of the model to generate ensemble members with less computational cost.     

解析四维集合变分参数优化方法研究

传统的四维变分数据同化方法在同化观测资料的同时可以对数值模式参数进行优化,然而传统的四维变分方法需要针对不同的数值模式编写特有的伴随模式,因此算法的可移植性差,同时计算时耗费大量资源。本文提出了一种新的基于解析四维集合变分的参数优化方法,该方法以迭代搜索得到的模式参数为基准展开扰动并构建样本集合,由此显式地计算协方差矩阵,并得到代价函数极小值的解析解,从而避免了伴随模式的使用。基于Lorenz-63模型对该方法进行单参数和多参数数值试验和优化效果检验,并在不同的同化时间窗口长度和观测采样间隔情况下,采用传统四维变分方法与之进行对比,结果显示,新方法表现出与传统四维变分相同的优化性能,都能有效收敛到真值,而新方法不需要计算伴随模式,可移植性好。本文还测试了不同的集合成员个数和模式参数真值的情况下新方法的同化效果,结果表明,新方法对集合样本个数及模型参数真值不敏感,采用较少的集合样本即可完成数据同化。     

基于多源数据的台风风暴潮概率预报研究:台风集合的构建

建立了一套用于台风风暴潮集合预报的台风集合构建方案.首先基于中国中央气象台、中国香港天文台、中国台湾中央气象局、美国联合台风预警中心、日本气象厅和韩国气象台6家预报中心的预报数据,构建一个误差更小的24 h、48h和72 h预报时效的台风分析数据;然后基于分析数据构建9个路径样本(1条分析路径+2个概率圆上的8条概率路...     

台风“梅花”(2212)的主要特点和路径预报难点分析

对2022年第12号台风“梅花”的主要特点、路径预报难点问题和路径预报误差特征进行分析,研究主要结论显示：(1)“梅花”登陆次数多、登陆强度强,是首个4次登陆不同省(市)的台风,也是2022年最强登陆台风,造成华东与东北地区长时间、大范围的风雨影响。(2)台风生成初期的中长期时效路径预报是路径预报难点之一,模式对台风主要影响系统的长时效预报存在明显偏差,针对模式的及时检验和订正对预报调整非常重要。(3)双台风或多涡旋情景下,集合预报发散度大,“梅花”陆上路径预报偏西偏慢,其东侧“南玛都”的强度和位置差异对其路径有明显影响。(4)台风变性过程中的移速误差是路径预报极大误差的来源,关注台风是否处于变性过程可作为调整台风移速预报的参考。未来开展多模式交叉实时检验,基于集合预报研发针对转向变性台风路径预报订正技术可为主观预报提供支撑。     

基于解析四维集合变分的全球正压谱模式初始场优化研究

解析四维集合变分数据同化方法是一种无需伴随的、完全继承四维变分非线性处理能力的、“流依赖”的非顺序数据同化方法。本研究基于解析四维集合变分,开展全球正压谱模式初始场优化研究,验证解析四维集合变分的同化能力,并构建了高效的扰动集合成员生成方案,将解析四维集合变分降维到了样本空间,最后检验了解析四维集合变分对同化积分窗口长度和观测采样间隔的敏感性。试验结果表明,解析四维集合变分能优化全球正压谱模式的初始场,降维到样本空间后,只需要80个集合成员就可以取得很好的同化效果,在较长的同化积分窗口和观测采样间隔的条件下也可以达到理想的同化效果。     

Deterministic and ensemble storm surge prediction for Atlantic Canada with lead times of hours to ten days

Regional deterministic and ensemble surge prediction systems (RDSPS and RESPS respectively) are used to forecast sea levels off the east of Canada and northeast US. The surge models for the RDSPS and RESPS have grid spacings of 1/30° and 1/12° respectively. The models are driven by surface air pressure and 10 m winds generated by operational global deterministic and ensemble prediction systems that are run operationally by the Canadian Meteorological Centre. Surge forecasts are evaluated for the period 1 March, 2013 to 31 March 2014. Based on traditional statistics (e.g., standard deviation of the difference between observations and predictions) both systems are shown to have skill in forecasting surges six days into the future. It is shown however that skill exists beyond six days if allowance is made for errors in the timing of large surges. The usefulness of the RESPS is demonstrated for two positive surges (important for coastal flooding and erosion) and a negative surge (important for safe navigation in shallow water). It is shown that the RESPS can identify events not forecast by the RDSPS, and can also add useful additional information on the timing of the surge, an important consideration in tidally dominated waters. Several new types of display are used to illustrate the sort of information that can be generated by the RESPS to support the issuers of warnings of unusually high and low total water levels.