深圳单点气温的时间滞后集合预报研究

利用欧洲中心TL799 L91模式在深圳的单点气温预报数据和深圳本地的气温观测数据,对比分析了时间滞后集合预报方法与传统确定性预报的预报能力.结果表明:(1)TL799 L91 模式提供的确定性预报对于深圳单点气温有一定预报能力,它的预报误差总体上有随预报提前量增加而增加的趋势,但最近时次的确定性预报并不一定是最佳的预报;(2)时间滞后集合预报总体上优于确定性预报,而且参与集合的成员数量越多则预报准确率大体上越高.所以,时间滞后集合预报可在一定程度上改进单点气温的预报质量,是充分利用更早起报时刻数值预报价值的一种有效途径.     

全球干旱指数研究进展

干旱是世界最严重的气象灾害,是自然灾害中经济损失最重、影响范围最广的灾害。我国深受干旱灾害的影响,近几十年干旱事件频繁发生,给社会造成的不利影响和对人们生存环境的危害日趋严重。因此,讨论全球干旱指数研究进展对于我国干旱研究及防旱抗旱工作具有重要意义。该文系统介绍全球特别是欧美等国气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数、遥感干旱指数以及综合干旱指数研究进展,并与我国干旱指数研究情况对比。探讨我国在干旱研究领域存在的主要问题,包括干旱指数适用性比较不足,新的机理性干旱监测指数研究不足,干旱预测预警研究不足。因此加强干旱机理机制研究、开展干旱监测准确性定量评估和加强数值模式在干旱预测预警中的应用是未来研究的重点和难点。     

500hPa月平均高度场球函数谱异常与陕西旱涝的关系

使用NCEP/NCAR再分析资料中的 50 0hPa月平均高度场资料及其主要球函数系数和陕西测站月降水量资料 ,结合陕西分区春、夏季旱涝长期预报的实际问题 ,探讨半球月平均 50 0hPa月平均高度场的球函数系数资料在长期天气预报中的应用的途径。发现基于区域降水指数 (IR)定义的陕西区域春、夏季旱涝指数I与历史实况相符 ,而球函数系数的年际异常具有低维、低阶特性 ,可以利用它们作为预报量、预报因子的参数 ;对春、夏季旱涝指数与同期和前期环流异常的相关分析表明 ,北半球环流异常与陕西各区春、夏旱涝的出现相关联系显著 ,南半球环流异常与陕西春、夏旱涝出现的相关联系总体上不显著。     

Improved predictability of droughts over southern Africa using the standardized precipitation evapotranspiration index and ENSO

The provision of timely and reliable climate information on which to base management decisions remains a critical component in drought planning for southern Africa. In this observational study, we have not only proposed a forecasting scheme which caters for timeliness and reliability but improved relevance of the climate information by using a novel drought index called the standardised precipitation evapotranspiration index (SPEI), instead of the traditional precipitation only based index, the standardised precipitation index (SPI). The SPEI which includes temperature and other climatic factors in its construction has a more robust connection to ENSO than the SPI. Consequently, the developed ENSO-SPEI prediction scheme can provide quantitative information about the spatial extent and severity of predicted drought conditions in a way that reflects more closely the level of risk in the global warming context of the sub region. However, it is established that the ENSO significant regional impact is restricted only to the period December–March, implying a revisit to the traditional ENSO-based forecast scheme which essentially divides the rainfall season into the two periods, October to December and January to March. Although the prediction of ENSO events has increased with the refinement of numerical models, this work has demonstrated that the prediction of drought impacts related to ENSO is also a reality based only on observations. A large temporal lag is observed between the development of ENSO phenomena (typically in May of the previous year) and the identification of regional SPEI defined drought conditions. It has been shown that using the Southern Africa Regional Climate Outlook Forum’s (SARCOF) traditional 3-month averaged Nino 3.4 SST index (June to August) as a predictor does not have an added advantage over using only the May SST index values. In this regard, the extended lead time and improved skill demonstrated in this study could immensely benefit regional decision makers.     

数值天气预报———另类途径的必要性和可行性

通过讨论省 (甚至地、市) 气象部门要不要开展数值天气预报工作的问题, 认为不是所有的地方都要开展, 只是那些希望搞科研型业务、迫切要求提高当地高影响天气的预报准确率的地方要开展。对于如何开展的问题, 提出不是去重复类似于主流途径的做法, 而是开辟另类途径, 并阐述了另类途径的内容、方法和意义。强调开展另类途径无需构建模式 (这是非常困难的工作), 只需运转现成的模式, 借助所关心的现象的历史数据来改造现成模式, 使之本地化, 是完全可行的。     

基于邻域最优概率的GRAPES快速更新循环同化预报系统逐时降水订正方法

针对高分辨率数值天气预报的时空不确定性, 利用邻域最优概率方法对华南区域GRAPES快速更新循环同化预报系统的24 h预报进行逐时降水订正和检验评估。结果表明: (1)邻域法能改善模式降水预报的空间不确定性, 最优邻域半径随降水等级增加而减小, 强降水的最优邻域半径约为60 km; (2)通过引入时间滞后因子, 可进一步改善模式不同时间起报的不确定性, 结合Brier评分确定了时间滞后窗为4 h; (3)提出基于邻域最优概率阈值的降雨进行分级订正方法, 有效提升了降水客观预报能力, 晴雨预报较模式全部为正技巧, TS评分达到0.89以上, 总体提升幅度约5.3%;强降水预报同样均为正技巧, TS评分呈先降后升趋势, 在12 h时效前后预报效果最优, 进一步提升了GRAPES快速更新循环同化预报系统的业务预报水平。      

2006年6—8月T213与ECMWF模式中期预报性能检验

6—8月是我国高温干旱、暴雨洪涝等气象灾害最为严重的季节。该季节天气系统变化快，活动剧烈，天气预报难度大，最能考验数值预报模式的预报性能。为更好地应用T213模式中期预报产品，对2006年6—8月T213模式中期96小时数值预报产品进行了统计和天气学检验，并与ECMWF模式同类产品进行了对比分析。结果表明，T213和ECMWF模式对中高纬度大型环流的调整、副高及850hPa温度等均有较好的预报能力，对台风路径也都有一定的预报能力，但T213模式台风移速预报过快，登陆偏早，而ECMWF模式预报相反。     

中高纬度地区500 hPa高度场动力预测统计订正

利用DEMETER多模式集合研究计划中Météo France模式的预报资料集,在分析其对冬季北半球中高纬度地区 (20°~90°N)500 hPa高度场预报效果的基础上,针对模式预测较差的模态分别运用最优子集回归修正方案和回归-相似相结合的修正方案对其进行订正。结果表明:数值模式对观测模态的预测能力并非随模态数的增加而递减,方差贡献较小的模态的预报效果可能好于方差贡献较大的模态;基于最优子集的回归订正方法未能改进原模式预报技巧;在最优子集回归基础上再经相似订正的方法 (DAP-OSR) 能够改进预测效果,独立试报的距平相关系数平均每年提高0.1。     

下一代大气模式中的数值方法综述

数值预报是逐日天气预报、气候预测和气象防灾减灾的核心科技支撑。为进一步提高预报预测的准确度和延长预见期,甚高分辨率、多圈层耦合、多尺度嵌套、多尺度集合、数值地球系统模拟技术等是下一代数值预报的重要发展方向。异构众核高性能计算机和E级计算的高速发展为这一发展提供了契机,但也对现有业务数值预报中采用的数值方法提出了挑战。此文仅对国内外下一代大气模式涉及到的数值方法进行综述,着重于数值算法、准均匀球面网格和时间积分方案等3个方面,期望为相关研究者提供参考。     

据1991年特大洪涝过程的物理分析试论江淮梅雨预测

本文以１９９１年江淮梅雨为个例,通过对特大洪涝形成过程的物理分析,就梅雨预测问题提出了一些认识。分析表明,１９９１年江淮流域较长梅雨期内所发生的３场大暴雨是很有代表性的,它们是大气环流季节转变不同进程中的产物,因而具有不同的环流背景和降水性质,且在洪涝的形成中起着不同的作用。据此,我们提出了江淮梅雨的３个模型,指出应在由春夏之交到盛夏这个较长时期内分阶段地考虑梅雨预测。另外还指出,确定雨带的落区,不但应强调副高和东南季风活动对雨带南北进退的作用,而且也要注意西南季风的活动会导致雨带东西向的摆动。最后,就旱涝形成物理过程的诊断研究在旱涝模式预测方法中的意义作了讨论     

提高气候预测准确率的有效途径

文中给出了目前我国干旱气候预测的水平和使用的主要方法。指出数值模式的预测方法不仅具有明确坚实的物理基础。而且具有客观、定量的优点。是气候预测方法的一个新的发展方向。20世纪90年代以来，高分辨率的区域气候模式的发展为区域气候的模拟和预测研究带来了新的希望。发展适合西北地区的高分辨率区域气候模式，是目前西北地区气候规律及其预测研究迫切需要解决的科学问题。     

近10年来中国主要农业气象灾害监测预警与评估技术研究进展

频繁发生的农业气象灾害制约着我国农业生产的快速、健康发展。农业气象灾害一直是广大气象科技工作者开展的主要研究课题之一。在国家科技攻关等计划的支持下,近10年来农业气象灾害研究取得了许多成果。完善农业气象灾害监测业务和预报服务,构建农业气象灾害风险评估、防御体系是农业气象灾害研究的重点。基于3S技术和地面监测相结合,构建了农业气象灾害动态监测系统,从宏观和微观角度来全面监测农业气象灾害的发生发展;建立和完善了卫星遥感监测系统,开展干旱、洪涝、冷害等灾害的动态监测,逐步建立集3S于一体的高空时空分辨率的灾害监测预警系统。农业气象灾害预警研究主要包括:数理统计预报方法进一步发展,农业气象模式与气候模式结合的初步尝试,GIS和网络等高技术在农业气象灾害预警中的应用,省级农业气象灾害预测系统的研制。我国农业气象灾害风险(影响)评估的研究,大致可以2001年为界分为二个阶段。第一阶段,以灾害风险分析技术方法探索研究为主的起步阶段,第二阶段,以灾害影响平度的风险化、数量化技术方法为主的研究发展阶段,构建灾害风险分析、跟踪评估、灾后评估、应变对策的技术体系;具体研究包括农业气象灾害风险分析、风险评估、风险区划和基于遥感监测信息的农业干旱评估。近年来我国农业气象灾害防御研究主要是将高效利用农业气候资源的主动防御技术和开发防灾制剂的被动防御技术相结合,在防御农业干旱和低温冷害方面取得了良好效果。     

我国现有短期气候业务预测方法综述

对我国短期气候业务预测方法的综合分析表明 :我国现有的短期气候业务预测经验和统计方法仍是主要的 ;物理因子和前兆强信号结合天气气候学分析的概念预测模型方法在业务预测中发挥重要作用 ;动力模式预测方法在业务预测中取得一定效果 .随着动力模式的进一步发展 ,短期气候业务预测将逐步走向以动力模式客观预报为指导预报的新阶段     

Analogue Correction Method of Errors by Combining Statistical and Dynamical Methods

Based on the atmospheric analogy principle, the inverse problem that the information of historical analogue data is utilized to estimate model errors is put forward and a method of analogue correction of errors (ACE) of model is developed in this paper. The ACE can combine effectively statistical and dynamical methods, and need not change the current numerical prediction models. The new method not only adequately utilizes dynamical achievements but also can reasonably absorb the information of a great many analogues in historical data in order to reduce model errors and improve forecast skill. Furthermore, the ACE may identify specific historical data for the solution of the inverse problem in terms of the particularity of current forecast. The qualitative analyses show that the ACE is theoretically equivalent to the principle of the previous analogue-dynamical model, but need not rebuild the complicated analogue-deviation model, so has better feasibility and operational foreground. Moreover, under the ideal situations, when numerical models or historical analogues are perfect, the forecast of the ACE would transform into the forecast of dynamical or statistical method, respectively.     

统计-动力相结合的相似误差订正法

根据大气相似性原理,提出了利用历史资料的相似信息估计模式误差的反问题,并发展了一种相似误差订正(ACE)方法。该方法将统计和动力两种方法有机结合,在不改变现有数值预报模式的前提下,既充分利用了动力学发展的成就,又能够有效提取大量历史资料中的相似信息,达到减小模式误差、改进当前预报的目的。而且,ACE方法能够针对当前预报的特殊性来区分所利用过去资料的特殊性,提取历史相似信息间接求解反问题。定性分析表明,ACE方法与以往相似-动力模式原理是等价的,但无需重新建立复杂的相似离差预报模式,更具可行性和业务应用前景。在理想化的极限情形下,当数值模式或历史相似完全准确时,ACE方法的预报结果将分别蜕变为动力或统计学方法的预报结果。     

深度学习方法在干旱预测中的应用

使用标准化降水蒸散指数作为农业干旱的监测指标,以站点气象要素和大尺度环流要素为驱动变量,建立干旱预测模型,分析评价传统的整合移动平均自回归(ARIMA)时间序列模型以及不同深度神经网络模型(DNN)的预测效果.结果 表明:DNN模型的总体预测能力优于ARIMA模型;同基于长短期记忆网络(LSTM)提出的传统LSTM预测...     

The role of surface heterogeneity in modelling the stable boundary layer

High-resolution numerical simulations are performed for three nights for each of two areas of the United Kingdom. Area-averaging techniques are then used to calculate effective stability functions for turbulence parametrizations in models using typical mesoscale and global spatial resolutions. Comparisons are made with parametrizations commonly used in numerical weather prediction models. The present results do not suggest that significant enhancement of the stability functions above 50 m is justified. Closer to the surface, more significant enhancement is observed in some regions. It is shown that the amount of enhancement is related to the variability of the orography.     

卫星资料变分同化在一次中尺度强暴雨模拟中的应用

利用ATOVS资料和常规观测资料, 采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度数值模式MM5设计了仅同化常规观测资料的NOATOVS试验和同化常规观测资料及ATOVS辐射率资料的ATOVS试验, 对2004年6月22—24日长江中下游和西南地区东部的特大暴雨进行了分析和模拟。结果表明:直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可以有效改进对流层温、湿场分布, 对风场也有一定的影响。对比试验结果表明:ATOVS试验可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 对降雨的落区、强度也有较好的反映, 模拟的局地暴雨强度与实际降雨量基本一致, 同化卫星资料的改善效果较为明显。即同化ATOVS资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。     

基于ConvLSTM机器学习的风暴潮漫滩预报研究

风暴潮是指由强烈的大气扰动所导致的海面异常升高现象,由热带气旋引起的风暴潮常对沿海地区造成巨大的社会经济、人类活动和生命财产危害。依靠数据驱动的强非线性映射能力的机器学习方法较传统数值模式预报在耗费研究资源和计算时间上更具优势。本文选取广东省珠江口为研究区域,基于卷积长短时记忆网络（Convolutional LSTM network,ConvLSTM）机器学习算法展开风暴潮漫滩预报研究,利用由再分析资料驱动的数值模式产品构建了历史台风漫滩数据集,用于机器学习模型训练、验证和测试。研究了两种预报方式,一种是基于海表面高度场的自回归预报,另一种是依赖预报风场和初始海表面高度场进行的预报;它们可以实现基于数据驱动的风暴潮漫滩预报,其中自回归预报模型表现更优。相较于传统动力学数值预报,基于数据驱动的ConvLSTM预报模型结构更为轻便,所需驱动数据更少,在缺少边界条件、地形、径流等信号时,在短临预报中仍能基本复现数值模式模拟的结果。     

An overview of soil moisture drought research in China: Progress and perspective

Soil moisture drought (SMD) directly affects agricultural yield and land water resources. Understanding and predicting the occurrences and evolution of SMD are of great importance for a largely agricultural country such as China. Compared to other drought categories, SMD receives less attention due to the lack of long-term soil moisture datasets. In recent decades, SMD research has been greatly developed in China, benefiting from increased ground and satellite measurements along with state-of-the-art land surface models. Here, the authors provide a brief overview of the recent progress in SMD research in China, focus on historical drought identification and its prediction, and then raise some future perspectives. Based on historical SMD studies, drought frequency has increased overall and drought duration has been prolonged since the 1950s for China as a whole, but they both show substantial temporal variations at the regional scale. Research on SMD prediction has mainly relied on the statistical relationship between soil moisture and climate variables. Few studies based on the dynamical approach in seasonal drought prediction have highlighted the importance of initial conditions and atmospheric forcing datasets. Given the importance of SMD in agricultural practice and water resource management in China, it is necessary to emphasize the following: 1) conducting research on multiple time scales (e.g., from days to the centurial time scale) and cross-regional drought identification research; and 2) developing a SMD prediction system that takes advantage of climate prediction systems, land surface models, and multisource soil moisture datasets.摘要论文回顾了中国土壤湿度干旱 (SMD) 历史重建和季节预测研究进展, 并对未来研究进行了展望. 自1950s年代以来, 全国整体干旱频率增加, 持续时间延长, 且有明显区域特征. SMD预测多是利用土壤湿度与气候变量之间的统计关系, 而少量基于动力学方法的干旱预测研究强调了初始条件和大气强迫数据对季节尺度干旱预测的重要性. 本论文提出: 1) 加强多时间尺度, 跨区域的SMD研究; 2)联合气候预测系统, 陆面模式和多源土壤湿度数据研制SMD预测系统.