《数值预报工作介绍》等

中央气象局气象科学研究所二室前不久印发了《数值预报工作介绍》及《数值预报中使用多时刻观测资料的问题》两集(油印本)。前者主要介绍客观分析和资料的处理、自动输入和分析预报图的自动输出,一个有限区域数值预报的五层初始方程模式以及在数值预报中所引进的一些新方法,如二维数、位相空间及有限元法在天气预报中的应用。同时还介绍了水平边界条件的几种给法和战时的分析和预报。后者介绍     

自忆谱模式及其初步应用

取一个数值预报模式作为动力核,基于相应的自忆性方程,可设计一个自忆预报模式。现以美国AFGL谱模式作为动力核,推导了一个能使用多时刻资料的自忆谱模式。运用全球网格点资料,通过复最小二乘估计,求得模式中的记忆系数。用该模式试作全球高空温度场的30天平均预报。预报检验表明,自忆谱模式的预报技巧是相当高的。     

月平均高度场预报的多时刻动力统计模式及其应用

本文设计了两个预报北半球中高纬地区夏季500hPa月平均高度场的多时刻动力统计数值预报的谱模式:年预报模式和月预报模式。先用变分法,推导一个含有待定系数的以混合多项式为正交基函数的谱展开系数方程组;再根据历史资料,用最小二乘法确定模式中的待定系数;用单纯形法数值求解,作出非独立样本试报。结果表明,它们的预报效果都好于气候预报和随机预报。     

数值预报产品统计释用技术在热带气旋路径客观预报中的应用

首先对应用数值预报产品统计释脾技术的效果进行了统计。结果表明,数值预报产品和技术的应用改善了热带气旋路径客观预报中预测因子的预报能力,提高了模式的预报技巧并拓展了有效预报时效。继而对热带气旋路径客观预报中若干统计释用技术问题进行了讨论,并指出：在应用数值预报产品构造热带气旋路径客观预报模式时,采用大样本资料和完全预报方法,细心构造反映各种天气系统特征和物理量场的预报因子,应用多时刻产品并对ＮＷＰ产     

TOVS资料的变分处理方法在青藏高原地区的数值试验

首次在测站稀少的高原地区引入经变分技术处理的TOVS资料,使用MM5数值模式对高原地区降水数值预报难点进行了研究。探讨了解决高原地区测站少、数值预报模式初始场信息误差大的技术关键问题,提出了采用TOVS资料在高原地区增加初始场信息的构思。数值试验结果表明,应用变分法处理后的TOVS资料,可显著地提高高原初始场信息的可靠性。考虑夏季高原地区是对流多发区特点,本文采用非静力MM5模式,并在模式初始场中增加了TOVS资料,弥补了测站稀少的高原地区使用非静力模式的不足之处。研究结果表明,本文采用的TOVS资料技术方案可能是高原区域数值模式降水预报的有效途径,并为开拓卫星资料的应用领域提供了技术思路与理论分析依据。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用：II.保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实例，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如１０ｄ以上     

数值预报产品统计释用技术在热带气旋路径客观预报中的应用

首先对应用数值预报产品统计释用技术的效果进行了统计,结果表明,数值预报产品统计释用技术的应用改善了热带气旋路径客观预报中预报因子的预报能力,提高了模式的预报技巧并拓展了有效预报时效。继而对热带气旋路径客观预报中若干统计释用技术问题进行了讨论,并指出：在应用数值预报产品构造热带气旋路径客观预报模式时,采用大样本资料和完全预报方法,细心构造反映各种天气系统特征和物理量场的预报因子,应用多时刻ＮＷＰ产品并对ＮＷＰ产品进行统计订正。对多种预报模式的预报结果进行综合集成等技术是提高预报技巧和稳定性的有效途径。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用 II. 保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于T42L9全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实验，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有较显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如10 d以上周期）。最显著的改进是在第2旬。冬季个例经过滤波的初始场在第2旬对北太平洋阻塞形势的预报能力有较明显提高。     

热带气旋路径客观预报的若干问题

对多时刻环境因子与热带气旋路径相关的统计分析表明，初始时刻环境场因子对热带气旋路径的预报能力随预报时效的增长而下降；未来时刻环境因子的预报能力高于初始时刻环境场因子；对于一定预报时效的热带气旋路径，具有较高预报能力环境场因子出现时刻大多不与预报时效同时刻；对于４８￣１２０小时的预报时效，初始时刻后４８－７２小时的环境场因子具有较高的预报能力。对ＮＷＰ产品进行统计释用的热带气旋路径预报模式优于用初如     

HIRS/2 亮温直接应用于数值预报的试验研究

将极轨卫星HIRS/2探测仪的高分辨率亮温资料，经过定标、定位和其它一些预处理后，不经过反演，直接和其它观测资料一起用最优内插(OI)方法进行分析，给出数值预报初始场，并用国家气象中心的准业务有限区预报模式做预报试验。对比试验结果表明，在数值预报中直接使用亮温比使用反演资料更好。     

客观预报中多时刻因子的应用及其效果

分析了在客观预报中单时刻因子与预报量之间存在着时间尺度上的不匹配问题,提出使用多时刻因子的必要性和可能性。对比试验表明,多时刻因子可改善大多数预报方程的质量,有效率达90．0％;多时刻因子使预报误差明显减小,预报方程的残差平方和平均减少23．8％。残差平方和的减少在各种场合有所不同,但呈现出一定的规律性。同时又指出,在多时刻因子中并不是包含的时刻越多越好,以防出现“维数灾”现象。     

制作MOS预报的体会

一、前言近几年来,甘肃广大台站已普遍使用MOS 方法制作短期要素预报,取得了一些成功的经验,但也遇到一定的困难,主要是数值产品的资料时间短,历史样本少,高原地区效果差,缺少地面形势预报等等。针对上述问题,我们作了一些探索。采用多模式,多时刻,多层次,多要素的因子,充分重视气候特点,适当选择数学工具,就能提高MOS 方法的预报效果。下面以一个具体预报方案来说明。     

全球最优插值客观分析

主要叙述国家气象中心实时运行的全球资料同化系统中的客观分析方案，该方案采用最优插值统计方法，使用所有可以使用的各种类型有不同误差的观测资料和模式的６ｈ预报值，给出数值形式的全球分析值。在两年的业务运行中，为Ｔ４２中期数值预报谱模式提供了较好的初始场。     

初始资料的正态化变换及回归方程预报精度的提高

一、问题的提出初始资料和预报模式时适应,是天气预报的一个重要问题,它不但具有理论意义,而且具有实际意义,无论数值预报模式还是统计预报模式都不例外。对于统计预报模式,我们知道,使用回归模式其初始资料必须满足如下数学条件:(1)预报误差e的数学期望为零,即E(e)=0;(2)预报误差e具有等方差性,即COV(e)=δ~2;(3)资料和预报误差e服从正态分布。当初始资料满足上述条件,它才能同导出的回归模式的数学前提相适应。否则在理论上资料不满足回归模式的数学前提,在实际应用时产生较大误差,而且使用过程中具有不稳定性。     

多普勒天气雷达资料在数值模式ARPS中的试验

利用中尺度预报模式ARPS及其资料分析系统ADAS和三维变分同化系统ARPS3DVAR,直接加入多普勒天气雷达基数据反射率因子和径向速度资料进行数值预报试验。试验包括：控制试验、反射率因子同化试验、径向速度同化试验,两种资料同时同化,多时次连续同化等试验。通过模拟2009年7月7日发生在江苏省附近一次暴雨过程,分析了多普勒天气雷达反射率因子和径向速度资料不同组合的加入对改进模式初始湿度场、风场及预报结果的影响。结果表明：同化雷达反射率因子和径向速度资料,分别对湿度场和风场有显著调整;同时同化两种资料比单独同化在2 h内更显优势;多时次连续同时同化两种资料的试验比起其他试验预报的风速更接近探空风速,预报的降水位置与雷达3 h累积降水产品较为对应,但降水量的预报仍有偏差。     

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

数值模式误差对降水四维变分资料同化及预报的影响

利用一个无量纲的水汽发展方程,针对同化时间窗口内出现和不出现降水两种情况,分析了不同模式误差和初始误差对降水四维变分资料同化预报效果的影响。结果表明,应用四维变分资料同化方法进行降水预报前,应该充分考虑数值模式中的误差,才能得到比较满意的同化及预报结果。假定同化窗口内获得的比湿观测场是准确的,当不存在模式误差时,四维变分资料同化方法可以有效地消除初始场误差,找到比湿真实初始场;而存在模式误差时,四维变分资料同化后的模式初始场会偏离真实的比湿初始场,并且模式误差越大,偏离程度越严重。在一些模式误差情况下,由于模式误差在同化窗口及延伸预报时段的作用不同,进行四维变分资料同化处理后,尽管累积降水量的预报结果在同化时间窗口内优于同化前的预报,而在最终预报时刻反而差于同化前。     

用传真预报图作MOS预报

MOS(模斯)预报即模式输出统计预报,是一种动力-统计学预报方法。它将数值预报模式输出的资料样本和某一气象要素的观测资料样本用各种统计技术推导出预报方程,然后用数值预报的结果作预报因子,进行气象要素预报。就当前国内外预报技术水平来说,它是将大尺度数值预报转化为局地要素预报的较有效的一种预报方法。它考虑了数值预报的偏差,以及地方性气候特点,而且对模式的更替也不太敏感。它可以吸取一些数值预报的物理量场作为预报因子,许多国家(如美国、日本等)近几年都已把它投入业务使用,用它来为地方台站提供“指导预报”,我国在这方面也有类似的研究。随着传真机的普遍使用,县站也有条件利用气象中心发布的数值预报资料来作局地天气预报,这促使县站预报在自身的现代化进程中逐步地向客观化、定量化迈进。1981年我站开始接收日本     

卫星资料反演湿度场改变模式初值对降水预报的影响

为探讨初始场资料在数值预报中的重要性，用高分辨率卫星T_BB资料反演的云内湿度场来改进模式初值，初步研究分析了改进的模式初值对降水预报的影响。以湿绝热过程的变态方程为积分方程，由卫星T_BB资料反演出大气中各等压面层湿度场。通过对比分析反演的湿度场与客观分析 (T106) 的水汽场，发现两者有较大区别，前者更加合理地反映出降水区域高空湿度场的分布。利用中尺度模式MM5将有限区域的常规探空资料和非常规资料进行同化，并对暴雨个例进行预报对比试验。不同初值的对比试验表明，在模式的初始场中引入卫星资料反演的湿度场后，明显地改善了模式降水预报的强度和落区，比仅使用常规探空资料更接近于实况。     

不同初始场条件对GRAPES模式数值预报的影响

利用中国新一代数值预报模式GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),分别使用T213 L31及NCEP FNL 6 h间隔的资料作为初始和边界条件,对2005年7月9—10日淮河流域一次致洪暴雨过程进行了个例试验,初步探讨了GRAPES模式的数值预报产品对不同初始场的敏感程度,以及三维变分同化对数值预报结果的可能影响。结果表明,T213和NCEP初始场中存在着差异较大的次天气尺度特征,并由此造成了此后GRAPES模式预报场的差异,且此差异不会随时间消失;同化对GRAPES模式积分结果的影响主要表现在最初的24 h内;模式对此次致洪暴雨过程的暴雨区分布、强度均有一定的模拟能力,但模拟的强暴雨区与实况仍存在着较大差异。由此可知,GRAPES模式的数值预报能力对不同的初始场和侧边界条件存在不同程度的依赖性,初始场的差异决定了模拟结果的差异。