A Regional Ensemble Forecast System for Stratiform Precipitation Events in the Northern China Region. Part II: Seasonal Evaluation for Summer 2010

In this study,the Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences-regional ensemble forecast system(IAP-REFS) described in Part I was further validated through a 65-day experiment using the summer season of 2010.The verification results show that IAP-REFS is skillful for quantitative precipitation forecasts(QPF) and probabilistic QPF,but it has a systematic bias in forecasting near-surface variables.Applying a 7-day running mean bias correction to the forecasts of near-surface variables remarkably improved the reliability of the forecasts.In this study,the perturbation extraction and inflation method(proposed with the single case study in Part I) was further applied to the full season with different inflation factors.This method increased the ensemble spread and improved the accuracy of forecasts of precipitation and near-surface variables.The seasonal mean profiles of the IAP-REFS ensemble indicate good spread among ensemble members and some model biases at certain vertical levels.     

“频率匹配法”在集合降水预报中的应用研究

基于“频率匹配法”的思路,采用两种方法进行了集合降水预报的订正研究,一种方法是利用集合成员降水频率订正简单集合平均平滑效应的“概率匹配平均”法,另一种方法是利用实况降水频率订正集合成员降水预报系统偏差的“预报偏差订正”法,通过个例和批量试验,结果表明:(1)概率匹配平均法可以矫正简单集合平均的平滑作用所造成的小量级降水分布范围增大而强降水被削弱的负作用,这种改进对强降水区更显著,并且集合系统离散度越大这种改进也越大;但该方法对预报区域内总降水量的预报没有改进作用,不能改善预报的系统性偏差.(2)虽然预报偏差订正法对降水落区预报的改进有限,但可以订正模式降水预报的系统性误差,改进雨量预报以及集合预报系统的离散度特征和概率预报技巧;直接对集合平均预报进行偏差订正的效果优于单个成员偏差订正后的简单算术平均.(3)在对每个集合成员的降水预报进行偏差订正后,概率匹配平均仍可改善其简单平均的效果,因此在实际业务中,应该综合采用上述两种方法,以获得在消除系统性偏差的同时各量级降水分布又合理的集合平均降水预报.     

A Regional Ensemble Forecast System for Stratiform Precipitation Events in Northern China. Part I: A Case Study

A single-model,short-range,ensemble forecasting system (Institute of Atmospheric Physics,Regional Ensemble Forecast System,IAP REFS) with 15-km grid spacing,configured with multiple initial conditions,multiple lateral boundary conditions,and multiple physics parameterizations with 11 ensemble members,was developed using the Weather and Research Forecasting Model Advanced Research modeling system for prediction of stratiform precipitation events in northern China.This is the first part of a broader research project to develop a novel cloud-seeding operational system in a probabilistic framework.The ensemble perturbations were extracted from selected members of the National Center for Environmental Prediction Global Ensemble Forecasting System (NCEP GEFS) forecasts,and an inflation factor of two was applied to compensate for the lack of spread in the GEFS forecasts over the research region.Experiments on an actual stratiform precipitation case that occurred on 5-7 June 2009 in northern China were conducted to validate the ensemble system.The IAP REFS system had reasonably good performance in predicting the observed stratiform precipitation system.The perturbation inflation enlarged the ensemble spread and alleviated the underdispersion caused by parent forecasts.Centering the extracted perturbations on higher-resolution NCEP Global Forecast System forecasts resulted in less ensemble mean root-mean-square error and better accuracy in probabilistic quantitative precipitation forecasts (PQPF).However,the perturbation inflation and recentering had less effect on near-surface-level variables compared to the mid-level variables,and its influence on PQPF resolution was limited as well.     

区域集合预报系统2 m温度预报的校准技术

采用非齐次高斯回归 (NGR) 技术对国家气象中心区域集合预报系统的2 m温度预报结果开展了一阶偏差和二阶离散度的校准研究。对预报结果比较详尽的检验分析表明:校准后的2 m温度预报可靠性和预报技巧均显著提高,表现为校准后集合预报成员的均方根误差与离散度更为接近;原Talagrand直方图中的“L”形分布现象得到有效改善;Brier评分、最小连续分级概率评分 (CRPS) 明显减小,相对作用特征 (ROC) 面积增大,说明校准后的2 m温度预报表现出更好的预报技能。此外,NGR技术与自适应误差订正技术的对比试验表明,NGR在消除集合平均偏差和提高集合离散度两个方面均有优势。     

An Effective Configuration of Ensemble Size and Horizontal Resolution for the NCEP GEFS

Two important questions are addressed in this paper using the Global Ensemble Forecast System(GEFS) from the National Centers for Environmental Prediction(NCEP):(1) How many ensemble members are needed to better represent forecast uncertainties with limited computational resources?(2) What is the relative impact on forecast skill of increasing model resolution and ensemble size? Two-month experiments at T126L28 resolution were used to test the impact of varying the ensemble size from 5 to 80 members at the 500hPa geopotential height.Results indicate that increasing the ensemble size leads to significant improvements in the performance for all forecast ranges when measured by probabilistic metrics,but these improvements are not significant beyond 20 members for long forecast ranges when measured by deterministic metrics.An ensemble of 20 to 30 members is the most effective configuration of ensemble sizes by quantifying the tradeoff between ensemble performance and the cost of computational resources.Two representative configurations of the GEFS-the T126L28 model with 70 members and the T190L28 model with 20 members,which have equivalent computing costs-were compared.Results confirm that,for the NCEP GEFS,increasing the model resolution is more(less) beneficial than increasing the ensemble size for a short(long) forecast range.     

基于T639集合预报的我国2016年极端温度预报检验

基于我国T639集合预报系统的2 m温度模式实时预报和分析场资料,对历史气候百分位分布进行了估算,并对2016年我国极端高温和极端低温集合预报进行了检验评估。分析表明,对于某一区域代表站点,不同超前时间对应的气候百分位分布变化趋势均与分析场的基本一致,但不同区域代表站点之间以及同一站点不同季节之间的气候百分位分布则存在差异。Talagrand分布检验结果显示,T639集合系统对哈尔滨和长沙站的预报存在暖偏差,而对北京和拉萨站的预报则存在冷偏差,其余典型站表现出预报离散度偏小的特点。基于历史气候百分位定义,对2016年极端温度进行识别、预报和检验。TS评分结果表明,T639集合系统对于我国极端温度总体上具有一定预报性能,预报技巧在各个区域有较大差别,极端高温在江南和东北区域技巧相对较高、极端低温在华北和南方技巧较高。对于不同预报方法技巧比较显示,集合平均法对极端信号有平滑效果,总体技巧偏低,集合众数法对低温技巧增加明显,而采用集合最大值和最小值法对极端信号则有放大效果,对高温技巧增加明显,但对低温技巧则不明显。由此可见,采用合适的方法对集合预报中极端信息的正确提取至关重要。     

2010年8月环流形势的多模式超级集合预报

利用多模式超级集合预报法,以欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、德国气象局、中国气象局和中国空军气象中心共5个决定性7 d预报产品为集合成员,对2010年8月500 hPa高度场和850 hPa温度场分别进行固定训练期和滑动训练期超级集合预报。采用均方根误差和相关系数对超级集合预报、单一模式预报和简单集合平均预报进行对比检验,同时对各预报结果的均方根误差空间分布进行对比分析。结果表明:超级集合预报在所有预报结果中最佳,且滑动集合预报对8月后期时段预报要略好于固定集合预报,两者预报效果均好于参与集合预报的各模式,也好于集合平均预报。但随着预报时效的延长,集合平均预报的优势也随之提升。从预报结果均方根误差的空间分布可知,多模式超级集合预报相比于单一模式预报效果提高的区域,500 hPa位势高度场主要位于印度半岛、印度洋、青藏高原及以西地区,而850 hPa温度场则主要位于蒙古、青藏高原、中国新疆及以西地区。     

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...     

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。     

1998年夏季我国异常洪涝区域气候的物理集合模拟

通过对MM5有限区域模式中的5种物理过程加以扰动、组合得到一个有19个成员的物理集合,并用其对1998年夏季发生在我国东部地区的异常洪涝天气气候特征进行了模拟研究。结果表明:相对于集合平均、高分辨率试验,集合概率预报有着最高的分辨力,这从一个方面验证了集合预报方法认为在数值天气预报中应该以概率的形式来认识大气状态的观点的合理性。另外,对不同的集合模拟质量检验方法,有较好表现的具体物理实现方案不尽相同,同时,模拟结果对扰动物理过程的敏感性分布有一些差异,但从统计意义来看:某些物理过程的扰动对模拟结果产生强扰动效应的频率更高一些及某些具体物理实现方案表现好的频率更高一些。     

基于机器学习的华北气温多模式集合预报的订正方法

模式预报的订正是决定局地天气预报结果的一个重要步骤,基于机器学习的后处理模型近年来开始崭露头角。本文发展了基于岭回归（Ridge）、随机森林（Random Forest,RF）和深度学习（Deep Learning,DL）的3种后处理模型,基于中国气象局（CMA）的BABJ模式、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ECMF模式、日本气象厅（JMA）的RJTD模式和NCEP的KWBC模式这4个数值天气预报模式2014年2月至2016年9月（训练期）近地面2 m气温预报和实况资料确定各模型参数,进而对2016年10月至2017年9月（预报期）华北地区（38°N~43°N,113°E~119°E）的逐日地面2 m气温预报进行了多模式集合预报分析。采用均方根误差对预报效果进行评估,这3种后处理模型的预报效果和4个数值天气预报模式以及通常的多模式集合平均（Ensemble Mean,EMN）的预报效果的对比表明:1）随着预报时长增加,4个数值预报模式及各种后处理模型的均方根误差均呈上升趋势;但区域平均而言,Ridge、RF和DL的预报效果在任何预报时长上都明显优于EMN和单个天气预报模式;特别是前几天的短期预报DL的预报效果更好,中后期预报Ridge的预报效果略好。2）华北地区的东南部均方根误差较小,其余格点上均方根误差较高,从空间分布而言,DL的订正预报效果最好,3种机器学习模型的误差在1.24~1.26℃之间,而EMN的误差达1.69℃。3）夏季各种方法的预报效果都较好,冬季预报效果都较差;但是Ridge、RF和DL的预报效果明显优于EMN,这3种模型预报的平均均方根误差在2.15~2.18℃之间,而EMN的平均均方根误差达2.45℃。     

混合集合预报法在华南暴雨短期预报中的试验

-WRF多模式集合3组试验,对比分析混合集合预报法与传统方法的降水预报效果。结果表明:ARPS模式集合改善了广东省南部局地强降水预报,该方法在中雨、大雨、暴雨量级改进效果显著。WRF模式集合对广东省北部强降水预报优于ARPS模式集合,但空报、漏报率较大,该方法有一定局限性。ARPS-WRF多模式集合在降水落区和量级预报上均优于传统方法。混合集合预报法利用低分辨率 (36 km) 集合预报和高分辨率 (12 km) 控制预报实现了高分辨率 (12 km) 集合预报,改善了降水预报效果,该方法可为业务高分辨率集合预报提供参考。     

基于DERF2.0的华南前汛期降水订正

针对我国华南前汛期（4—6月）降水,基于国家气候中心第2代月动力延伸模式（DERF2.0）结果,利用非参数百分位映射方法将模式预测结果转化为概率预报,并进行概率订正。分别选用交叉建模与独立样本建模两种订正方法,并利用偏差、偏差百分率、时间相关系数、均方根误差等统计方法检验订正效果。结果表明：订正方法对预报技巧的改善与起报时间无显著相关,且具有误差稳定性,其订正效果受预报误差影响较小;与订正前模式预测降水落区的范围和平均强度相比,订正后结果与观测更接近;按百分位区间统计的不同强度降水订正预报均有明显改进;预测时段的订正效果与回报时段的订正效果基本一致。     

亚洲中部春夏季大气环流持续性异常与我国东部夏季旱涝的关系

通过对北半球(20oN以北)1958~2002年 500 hPa月平均高度场各格点的点对点月际相关系数的分析,探讨了环流的持续性。结果表明,亚洲中部上空存在着北半球中高纬度唯一的显著的高度场持续区,它的中心区位于(30oN~50oN, 70oE~110oE),这里正是广袤的青藏高原北坡、蒙古高原及黄土高原地区,一年中各月的持续性有明显的季节变化,冬末春初的2月对3月和3月对4月基本上没有持续性可言;4~5月出现了明显的持续性,相关系数突然增长到0.6;5月对6月的持续性继续增加,相关系数达到0.8。夏季至初秋(6~9月)各个月际稳定地保持着0.8的高相关系数。秋、冬各月持续性逐渐减弱,直至春季降到了最低。将1958~2002年中5~9月的月平均高度距平正、负持续最明显的两个7年的逐月环流和季环流作对比分析,得知在正持续年夏季东亚中纬度大气环流呈“西高东低”型;而负持续年的夏季则是“东高西低”型。它们都具有气候意义的稳定性。相应的,在明显正持续年夏季中国东部降水分布呈“北少南多”;而在明显负持续年则是“北多南少”。在这45年间,夏季亚洲中纬度500 hPa的月高度距平由负持续转为正持续,与中国东部降水由“北多南少”转为“南多北少”是对应的。分区逐日识别500 hPa天气系统的结果表明,正持续年亚洲中纬地区盛行高脊,长江中下游地区多低槽和辐合流型;负持续年则盛行低槽,长江中下游多副高控制和西南流型。揭示了中国夏季发生区域旱涝灾害的两种不同的气候进程和盛行天气过程。这样在5、6月份即可预测东亚夏季或盛夏环流形势与中国的降水趋势。     

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。     

华南前汛期强降水个例模式降水预报误差成因初探

2015年5月19—20日,华南出现一次暴雨过程。检验表明欧洲中期天气预报中心全球确定性预报模式(以下简称EC模式)预报的20日强降水落区在广东境内较实况明显偏北,高估了天气尺度系统附近的降水强度,漏报了其南侧暖区内中尺度对流系统(mesoscale convective system,MCS)造成的降水,华东中尺度模式预报明显优于EC模式。利用高分辨率中尺度天气研究预报模式(以下简称WRF模式)对该暴雨过程进行了模拟,对比EC模式降水物理过程,初步探索了EC模式降水预报误差的成因,结果表明:20日位于广东暖区内的对流组织发展成MCS,并造成明显的低层冷池出流和中高层潜热加热,二者共同作用使得中低层气旋式环流在广东中东部发展,配合其南侧的强西南风水汽输送,在气旋式切变附近不断触发新的对流并南移使得广东中南部暖区内出现强降水,WRF模式能较好地模拟出该过程,而EC模式未能预报出暖区对流及其反馈,从而导致其漏报了广东中南部的强降水;EC模式预报的降水与天气尺度环流之间的正反馈进一步加大了降水的预报偏差。EC模式预报的20日白天的强降水主要位于华南北部切变线附近,且以层状云降水为主,降水产生的潜热使得对流层低层切变线附近减压更明显,预报的切变线辐合较分析场明显偏强,使得其预报的切变线附近降水较实况偏强。     

Statistical Downscaling for Multi-Model Ensemble Prediction of Summer Monsoon Rainfall in the Asia-Pacific Region Using Geopotential Height Field

The 21-yr ensemble predictions of model precipitation and circulation in the East Asian and western North Pacific （Asia-Pacific） summer monsoon region （0°-50°N, 100° 150°E） were evaluated in nine different AGCM, used in the Asia-Pacific Economic Cooperation Climate Center （APCC） multi-model ensemble seasonal prediction system. The analysis indicates that the precipitation anomaly patterns of model ensemble predictions are substantially different from the observed counterparts in this region, but the summer monsoon circulations are reasonably predicted. For example, all models can well produce the interannual variability of the western North Pacific monsoon index （WNPMI） defined by 850 hPa winds, but they failed to predict the relationship between WNPMI and precipitation anomalies. The interannual variability of the 500 hPa geopotential height （GPH） can be well predicted by the models in contrast to precipitation anomalies. On the basis of such model performances and the relationship between the interannual variations of 500 hPa GPH and precipitation anomalies, we developed a statistical scheme used to downscale the summer monsoon precipitation anomaly on the basis of EOF and singular value decomposition （SVD）. In this scheme, the three leading EOF modes of 500 hPa GPH anomaly fields predicted by the models are firstly corrected by the linear regression between the principal components in each model and observation, respectively. Then, the corrected model GPH is chosen as the predictor to downscale the precipitation anomaly field, which is assembled by the forecasted expansion coefficients of model 500 hPa GPH and the three leading SVD modes of observed precipitation anomaly corresponding to the prediction of model 500 hPa GPH during a 19-year training period. The cross-validated forecasts suggest that this downscaling scheme may have a potential to improve the forecast skill of the precipitation anomaly in the South China Sea, western North Pacific and the East Asia Pacific regions, wh     

Assessing the Performance of Separate Bias Kalman Filter in Correcting the Model Bias for Estimation of Soil Moisture Profiles

The performance of separate bias Kalman filter (SepKF) in correcting the model bias for the improvement of soil moisture profiles is evaluated by assimilating the near-surface soil moisture observations into a land surface model (LSM). First, an observing system simulation experiment (OSSE) is carried out, where the true soil moisture is known, two types of model bias (i.e., constant and sinusoidal) are specified, and the bias error covariance matrix is assumed to be proportional to the model forecast error covariance matrix with a ratio λ. Second, a real assimilation experiment is carried out with measurements at a site over Northwest China. In the OSSE, the soil moisture estimation with the SepKF is improved compared with ensemble Kalman filter (EnKF) without the bias filter, because SepKF can properly correct the model bias, especially in the situation with a large model bias. However, the performance of SepKF becomes slightly worse if the constant model bias increases or temporal variability of the sinusoidal model bias becomes large. It is suggested that the ratio λ should be increased (decreased) in order to improve the soil moisture estimation if temporal variability of the sinusoidal model bias becomes high (low). Finally, the assimilation experiment with real observations also shows that SepKF can further improve the estimation of soil moisture profiles compared with EnKF without the bias correction.     

北半球夏季500hPa候平均高度场的遥相关和环流特征

本文用10年(1980—1989)夏季北半球500hPa候平均高度场资料进行遥相关分析,得到东亚太平洋型(EAP)和西欧型(WE)两种遥相关型及西亚-太平洋-大西洋振荡,并对高度场进行主成分分析(PCA),讨论了环流的时空分布特征.     

华北平原地区夏季严重旱涝特征诊断分析

利用华北平原地区13个站1951～1995年6～8月的降水量资料讨论了该地区发生的严重旱涝特征,发现各有7年出现严重干旱和雨涝。严重干旱主要发生在6、7月份,严重雨涝主要发生在7、8月份。特大旱涝发生最频繁的地带在燕山南麓和太行山东麓。50年代多雨涝,60～80年代多干旱,进入90年代雨涝增多,反映华北平原地区旱涝变化阶段性和群发性。东西伯利亚（或鄂霍茨克海）阻塞高压及亚洲中高纬度东高西低分布的稳定维持,则分别对华北平原的严重干旱与雨涝的形成起着重要的作用。西太平洋副热带高压位置偏北、偏西（偏南、偏东）,华北平原地区易发生严重雨涝（干旱）。夏季风偏强（弱）年份,华北平原多发生雨涝（干旱）。 在赤道中东太平洋海温与北太平洋西风漂流区海温处于明显正距平阶段,华北平原地区易分别发生严重干旱与雨涝。