数值预报发展的新方向——集合数值预报

数值预报走过了百年的历史（V．Bjerknes，1904），取得了了不起的成就，预报准确率有了很大的提高。但是，考虑到大气的非线性作用以及初值和模式造成的数值预报不确定性，要提高传统的单一确定性预报的技巧越来越难。基于大气初值的敏感性试验，Lorenz提出了数值预报发展的新方向——集合数值预报。 通过介绍集合数值预报的基本思想和方法；并针对初值和模式的不确定性，概述现有集合数值预报成员的产生方法及国内外的研究进展；同时解释怎样检验集合预报的结果的论述，如何从众多的集合预报产品中提炼有用的信息及预报产品的释用。     

集合预报方法研究及应用进展综述

简要介绍了国内外集合预报研究及业务应用进展。涉及集合预报的4个方面：初始扰动生成、数值模式选择、预报信息提炼和预报系统及结果评价。结果可供改进我国集合预报业务的研究工作参考。     

集合预报简介

文中简述了集合预报的进展，对其中的扰动初值的生成与原理，和欧洲中期天气预报中心的集合预报产品作了介绍。     

台风集合预报研究进展

台风数值预报是防台减灾的关键,而集合预报是体现和减少数值预报不确定性的常用方法。本文对近年来台风集合预报方法的研究进展进行了梳理和总结,涉及初值集合扰动、模式扰动技术以及基于统计的台风集合预报后处理技术。对全球几个主要集合预报系统的发展及我国的区域台风集合预报系统做了回顾。最后,在回顾的基础上,讨论和提出了关于台风集合预报仍存在的问题及未来可能的研究方向。     

数值预报发展的新方向——集合数值预报

数值预报走过了百年的历史(V.Bjerknes,1904)[1],取得了了不起的成就,预报准确率有了很大的提高。但是,考虑到大气的非线性作用以及初值和模式造成的数值预报不确定性,要提高传统的单一确定性预报的技巧越来越难。基于大气初值的敏感性试验,Lorenz提出了数值预报发展的新方向——集合数值预报。通过介绍集合数值预报的基本思想和方法;并针对初值和模式的不确定性,概述现有集合数值预报成员的产生方法及国内外的研究进展;同时解释怎样检验集合预报的结果的论述,如何从众多的集合预报产品中提炼有用的信息及预报产品的释用。     

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。     

随机物理过程扰动方案在克拉玛依区域集合预报中的应用研究

克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。     

两种短期降水集合预报方案的对比试验

将MM5V3作为试验模式,利用初值扰动和物理参数化方案,分别对东南沿海地区2004年7—9月的短期降水进行了模拟,并运用均方根误差法对模拟试验效果进行了评估检验,以比较两种方案的集合预报效果。结果表明,对于汛期短期降水预报而言,两种方案的预报效果都有一定的改进。相对于初值误差而言,积云对流过程在汛期降水过程中起着更为重要的作用,因而物理参数化方案扰动的集合预报效果,总体优于基于初值扰动的集合预报效果。研究还发现,模式物理参数化方案扰动的集合预报效果在9月出现了明显的下滑,这主要由于7—8月对流活动旺盛,而9月对流活动随热力因素减弱而减弱的原因所致。     

GRAPES全球/区域集合预报系统10年发展回顾及展望

较系统地概述了中国气象局全球/区域集合预报系统及描述模式初值和模式自身不确定性的集合预报扰动技术发展历程,回顾了GRAPES(Global/Regional Assimilation Pr Ediction System)全球集合预报的奇异向量初值扰动方法、GRAPES区域集合预报的集合变换卡尔曼滤波初值扰动方法和多尺度混合初值扰动方法、GRAPES全球/区域集合预报模式不确定性的随机物理过程倾向项扰动方法和动能后向散射随机补偿方法等研究成果,介绍了GRAPES全球/区域集合预报业务系统构建参数设置和预报性能,最后分析了GRAPES全球/区域集合预报中存在的问题,展望了未来发展方向。     

基于观测扰动的集合预报EDA初值扰动方法研究

北京城市气象研究院初步发展了3 km分辨率的华北对流尺度集合预报系统.为构建适用于该系统的初值扰动,设计了观测随机扰动方案,并与全球集合预报动力降尺度背景场相结合,利用三维变分同化方法构建了集合资料同化(EDA)初值扰动;开展了EDA方案在华北对流尺度集合预报系统中的批量试验,并与动力降尺度初值扰动方法进行了对比.结果...     

中期数值天气预报的集合预报试验

利用中国科学院大气物理研究所研制的Ｔ４２Ｌ９ 谱模式, 在中期数值预报领域中引入集合预报的概念和方法, 初始扰动场取为Ｔ４２Ｌ９ 谱模式２４ 小时预报误差的平均均方差乘随机数, 再综合利用蒙特卡洛预报（ ＭＣＦ） 和落后平均预报（ＬＡＦ） 两种方法作集合预报试验, 试验结果表明： 各成员预报的等权平均或不等权平均的集合预报明显优于单一的控制预报; 不等权平均与等权平均的集合预报结果相比较, 不等权平均的集合预报优势较明显; 在不等权平均的集合预报中, 区域性不等权平均又比全球性不等权平均的预报稍好。     

一段日照迹线剖析

一段日照迹线剖析单宇红（江苏省徐州市气象局，２２１００６）在地面报表的审核中，原始观测记录的真实性是非常重要的，有时为了判别某个记录的“真伪”，不仅需要直观的目测，还要综合各种因素进行分析，然后再下结论。１９９６．２．２６．１３∶１６—１３∶４８某站...     

Heavy Rainfall Ensemble Prediction： Initial Condition Perturbation vs Multi-Physics Perturbation

Mesoscale ensemble is an encouraging technology for improving the accuracy of heavy rainfall predictions. Occurrences of heavy rainfall are closely related to convective instability and topography. In mid-latitudes, perturbed initial fields for medium-range weather forecasts are often configured to focus on the baroclinic instability rather than the convective instability. Thus, alternative approaches to generate initial perturba- tions need to be developed to accommodate the uncertainty of the convective instability. In this paper, an initial condition perturbation approach to mesoscale heavy rainfall ensemble prediction, named as Different Physics Mode Method （DPMM）, is presented in detail. Based on the PSU/NCAR mesoscale model MM5, an ensemble prediction experiment on a typical heavy rainfall event in South China is carried out by using the DPMM, and the structure of the initial condition perturbation is analyzed. Further, the DPMM ensem- ble prediction is compared with a multi-physics ensemble prediction, and the results show that the initial perturbation fields from the DPMM have a reasonable mesoscale circulation structure and could reflect the prediction uncertainty in the sensitive regions of convective instability. An evaluation of the DPMM ini- tial condition perturbation indicates that the DPMM method produces better ensemble members than the multi-physics perturbation method, and can significantly improve the precipitation forecast than the control non-ensemble run.     

集合预报中动态调整的增长模繁殖及其对自由繁殖的改进

用增长模繁殖（BGM）法产生集合预报初始扰动的过程中,对增长模适时的进行调整是有必要的。介绍了动态调整的方法,利用T63L9全球谱模式,通过数值试验考察了在繁殖过程中采用动态调整时增长模的增长和饱和情况,并与自由繁殖试验作了相应的比较。结果表明:动态调整情况下,各层扰动的增长率可以达到一个比较大的数值;在形态饱和方面,动态调整能在很大程度上克服自由繁殖时低层扰动饱和时间滞后的缺陷;综合考虑,动态调整下扰动饱和时间可比自由繁殖缩短1天以上,且饱和特征更加明显。     

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.