中期数值天气预报发展综述

１　中期天气预报的概念　　中期天气预报通常指３天以上１５天以下的天气预报,它对防灾抗灾减灾、对工农业生产、国防、交通和组织大型露天活动等都有重大使用价值,因而世界各国都给予高度的重视。中期预报是一个困难而复杂的科学问题,它着重于研究行星尺度系统或者研究一群天气尺度系统的演变规律。特别是研究天气尺度系统与行星尺度系统之间的非线性相互作用和它们的中期物理过程。它既不同于长期预报,也不是短期预报的延长。世界各国的气象学家为了发展中期预报,已经作了几十年的努力,历经了４个阶段：（１）以前苏联莫尔坦诺夫斯…     

中期数值天气预报中的高性能计算

到本世纪末，集合预报，四维变分同经，Ｋａｌｍａｎ滤波，高分辨率确定性预报等技术将在中期数值业务预报中得到应用，对于高性能计算机的需求约是ＣＲＡＹ Ｃ９０／１６的１０－２０倍，并行向量机的发展余地已不大，大规模并行计算机依然是高性能计算机发展的主流。     

我国中期数值天气预报业务系统简介

文章全面而简要地介绍我国Ｔ６３Ｌ１６谱模式中期数值天气预报业务系统，还讨论了下一步如何进行研究改进。     

卡尔曼滤波用于数值天气预报的统计释用

1 前言近年来,数值天气预报模式经常发生根本性的改变,一个新模式一年之内会面临一或两次较大的修改。如果模式输出的统计特征也随之变化,则释用方程的基础将被破坏。这种状况给应用MOS方法进行统计释用带来很大麻烦。如果方程是用PP方法(完全预报方法)推导而得的,模式变化引起的问题就较少。     

T63中期数值天气预报谱模式

简要地介绍了国家气象中心中期数值天气预报模式，并且，给出了业务７天预报初步结果，其有效预报达５－６天。     

利用数值预报资料制作7—8月天气预报

本文以５００ｈｐａ五天平均日特征为主，参改逐日５００ｈｐａ天气图，对１９７５—１９８６年７—８月份的多降水过程，少雨时段进行分型，分别找出各型的形势特征。预报时使用欧洲预报中心５００ｈｐａ数值预报资料，预报日前一天的零时高度场和以其为初始场的２４—９６小时预报的格点高度资料，在计算机上打印出５天平均高度场图，然后套用各型指标，作完全预报，当符合某型时，将其预报结果向地、市台发布。     

T213数值预报产品在高原天气预报中的应用

根据T213数值预报产品与高原上12个站点对应时次的高度、温度资料。进行了误差扣相关分析，并在此基础上。选择扣本地相关较好的因子，建立了晴雨判别预报模型，历史拟合扣试报效果较好。     

中期数值天气预报的误差订正方法探讨

本文利用一个全球谱模式（T63L9）和1994年4个时段个例的全球客观分析资料探讨了中期数值天气预报的误差订正方法。个例分析的结果表明,采用定常误差订正和时空平滑误差订正方法,误差订正效果显著,可考虑在业务系统中采用。     

成都区域气象中心数值天气预报工作20年综述

本文对成都区域中心开展数值预报工作历程作了一个简要回顾.四川开展数值天气预报工作起步早,且从未间断.数值预报工作从无到有,经历了4个阶段,最终迎来了新的发展阶段.本文最后指出,在西南地区复杂地形条件下开展区域数值天气预报是一个科学难题,有待数值预报工作者为之而努力.     

数值天气预报的诞生

自1950年数值天气预报试验成功,迄今已有48年。凡是熟悉天气预报历史的人,都会深刻地感到这是气象界一次伟大的历史性技术革命,使天气预报的准确率和时效获得了长足进步,让全人类在不知不觉（甚至不无埋怨之声）中享受着这次革命的成果。同时还应看到,数值天气预报是一项巨大的系统工程。它的成功依赖于科学技术的积累和多学利的共同进步。因此,回顾数值天气预报诞生的历史,不仅可以了解一些气象珍闻,还可以增进对科学发展规律的认识。1理论背景根据哥白尼关于行星围绕太阳运动的观点,刻卜勒发现了行星运动的基本定律。牛顿更进一…     

一种初始方程中应用实测风进行风场初值化的方法

本文提出一种利用实测风场、高度场、温度场和地面三小时气压变化资料,考虑风场和质量场之间基本满足准地转平衡关系,大气具有准无辐散性,但又保留一部分与地面气压变化相应散度的地转偏差,将以实测的等压面风场插到σ坐标的风场进行订正的初值化方法,并用一个单时资料进行初步试验.文中还对风场初值化问题进行了讨论.     

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES(Global Regional Assimilation and PrEdiction System)半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。     

A forecast error correction method in numerical weather prediction by using recent multiple-time evolution data

The initial value error and the imperfect numerical model are usually considered as error sources of numerical weather prediction (NWP). By using past multi-time observations and model output, this study proposes a method to estimate imperfect numerical model error. This method can be inversely estimated through expressing the model error as a Lagrange interpolation polynomial, while the coefficients of polynomial are determined by past model performance. However, for practical application in the full NWP model, it is necessary to determine the following criteria: (1) the length of past data sufficient for estimation of the model errors, (2) a proper method of estimating the term "model integration with the exact solution" when solving the inverse problem, and (3) the extent to which this scheme is sensitive to the observational errors. In this study, such issues are resolved using a simple linear model, and an advection-diffusion model is applied to discuss the sensitivity of the method to an artificial error source. The results indicate that the forecast errors can be largely reduced using the proposed method if the proper length of past data is chosen. To address the three problems, it is determined that (1) a few data limited by the order of the corrector can be used, (2) trapezoidal approximation can be employed to estimate the "term" in this study; however, a more accurate method should be explored for an operational NWP model, and (3) the correction is sensitive to observational error.     

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于“外推”的临近预报技术在2h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于“外推”临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用.该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化.融合后的定量降水预报在前1-2h表现出主要依赖“外推”临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6h占主导地位.通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果.     

克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

应用国家气象中心模式检验方法,对华中区域中尺度业务数值预报模式WRF和中国气象局下发的GRAPES模式2013年1-12月的预报产品（包括降水、2 m温度场、850 hPa温度场、850 hPa风场和500 hPa位势高度场预报）进行统计检验。检验结果表明：所有要素24 h预报均优于48 h;对于晴雨预报,GRAPES模式TS评分高于WRF,但随着降水量级增大,WRF的TS评分基本都高于GRAPES,同时WRF降水预报范围明显偏大;分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现,WRF的2 m温度场预报优于GRAPES,且暖季预报优于冷季;形势场要素分析表明,WRF对850 hPa温度场和风场预报具有相当大的优势,全年误差变化较稳定,而对500 hPa位势高度场的预报误差存在一定的季节性特征,即夏半年WRF高度场预报优于冬半年,GRAPES模式则相反。总体上,华中区域中尺度业务数值模式产品对天气预报具有一定的参考价值。     

论过去资料在数值天气预报中使用的理论和方法

对中国气象学家在数值天气预报中使用过去实况演变资料的理论和方法作卫概要性总结,其中不仅讨论了近期实况演变资料的应用,还了积累数十年的历史资料的应用问题。文中强调要改变对数值预报问题的提法,回顾了由初值问题改为演变问题,再改为反问题的历史。     

数值天气预报业务模式现状与展望

动力统计结合是提高天气、气候预报水平的重要途径之一,关键问题是如何将数值模式与历史资料进行有效结合;相似预报这一传统方法与动力统计的结合是未来提高天气、气候预报水平的一个重要方向,尽管其原理目前仍停留在相似假设基础上且缺乏坚实的物理基础。文中从准确模式的初值问题出发,提出准确模式初值扰动概念,进而发展了动力统计相似集合预报（Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast,DSAEF）理论。DSAEF理论不仅回答了为什么可以进行相似预报,同时还指出了如何进行相似预报,即其原理是利用准确模式来做预报,并采用集合预报的方式实现预报。基于 DSAEF 理论,建立了登陆台风降水动力统计相似集合预报DSAEF_LTP （Landfalling Typhoon Precipitation,LTP）模型,该模型包括4个步骤：台风路径预报、广义初值构建、初值相似性判别和台风降水集合,其中广义初值由影响台风降水的物理因子构成。DSAEF_LTP模型具有可持续发展特性—可通过引入新因子或改善模型参数来改进模型的性能;目前该模型发布了广义初值包含台风路径、登陆季节和台风强度3个物理因子的1.0版和在此基础上改进了“相似区域”和“集合方案”的1.1版。该模型的性能提升很快,已完成的最新版本（1.1版）3次大样本预报试验均显示,与ECMWF、CMA-GFS、NCEP-GFS和SMS-WARMS （上海区域模式）对比,对≥100 mm和≥250 mm台风过程降水预报的TS评分,DSAEF_LTP模型（V1.1）排名第1。今后,围绕广义初值不断改善,研究引入更多影响登陆台风降水的物理因子,DSAEF_LTP 模型的发展前景广阔。     

基于机器学习的复杂地形下短期数值天气预报误差分析与订正

初步研发了一套基于机器学习方法XGBoost且考虑地形特征影响的数值预报多模式集成技术,并与传统的等权重平均和线性回归方法的集成效果进行了对比分析。利用北京地区快速更新循环数值预报系统每天8次循环预报给出的近地面2m温度、2 m相对湿度、10 m风速、10 m风向数据产品,分别基于机器学习方法XGBoost、等权重平均方法、线性回归方法构建了3种体现地形因子影响的多模式预报时间滞后集成模型。试验对比分析了暖季、冷季每日不同时刻的模式预报集成订正效果。结果表明:分季节试验中,基于XGBoost模型对2m温度、10m风速的集成预报结果相对原始最优预报结果误差明显优于其他两种传统方法。XGBoost对2 m温度集成的误差可降低11.02%—18.09%,10 m风速集成误差可降低31.23%33.22%,10 m风向集成误差可降低4.1%—8.23%。2 m相对湿度的集成预报误差与传统方法接近。基于XGBoost的多模式集成预报模型可以充分"挖掘"不同模式或不同时刻快速更新循环预报优点,有效降低模式的系统性误差,提供准确性更高的多模式集成确定性预报产品。     

河南\

对1949年以来影响我国的台风暴雨及其预报研究的进展,从台风暴雨形成机理、专题研究、预报研究和研究新动向等四方面进行回顾总结。首先,从环境场、下垫面和内部条件三个角度对台风暴雨形成机理进行简要回顾,并从“75.8”特大暴雨、“莫拉克”极端暴雨、远距离暴雨、台风暴雨的诊断分析和气候特征等五个角度做了专题回顾。同时,简要回顾了台风暴雨预报研究进展,并就台风暴雨研究新动向给出了在云微物理、极端降水和预报方法三个方向上的初步判断。在此基础上,给出了小结与展望。