集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ：参数选取与数值试验

研究的第一部分讨论了如何有效应用集合预报误差的科学方案,确定了集合预报误差在GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）全球4DVar（four dimensional variational data assimilation）中应用的分析框架。在此基础上研究了针对集合预报误差实际应用于GRAPES全球4DVar,解决接近或超过100个集合样本数时高效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4DVar匹配的同化关键参数确定问题。选择基于4DVar的集合资料同化方法生成集合样本,通过将第1个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动方法增加集合样本数,实现集合样本增加到3倍。对集合方差进行膨胀,并选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍。通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重系数,对60个集合样本当集合预报误差权重为0.7时预报效果最好。对北半球夏、冬两季各52 d的批量试验表明,对于南、北半球En4DVar （ensemble 4DVar）较4DVar的改进在冬季主要集中在700—30 hPa,而在夏季主要集中在400—150 hPa。赤道地区受季节影响较小,En4DVar对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,且经向风场的改进最为显著。文中研发的集合预报误差在GRAPES全球4DVar中应用的方法合理可行。      

模糊可变集合方法在降雨相似性分析中的应用

基于特定流域场次降雨具有的相似性,应用考虑区间值模糊可变的模糊可变集合方法进行场次降雨相似性分析。通过计算各场次降雨隶属于各降雨级别的特征值及与目标场次降雨之间的相似距离,从而获得流域场次降雨相似性排序,有效解决了场次降雨相似分析中的模糊性和不确定性问题。找出与实时阶段场次降雨相似的历史场次降雨,预估水库实时阶段面临的洪水过程及量级,可为水库防洪调度提供信息参考。     

用统计集合方法制作全国汛期降水滚动预测试验

以全国160站汛期(6-8月)降水量为预测量,以最新得到的74项环流特征量指数为因子,尝试制作全国160站汛期降水滚动预测.建立模型时考虑了预测量与环流特征量因子序列的显著线性变化趋势,以及预测量与环流因子之间的相关不稳定性,用"滑动相关-逐步回归-集合分析"预测方法,分别建立了2009年全国160站汛期降水量的物理统计集合分析预测模型,并进行了近10年独立样本预测试验分析.结果显示:(1)用物理统计集合分析预测方法,以最新得到的74项环流特征量指数为因子,实现了全国160站汛期降水逐月滚动预测,2009年以在5月份制作的滚动预测效果最好.(2)近10年预测试验的空间距平相关系数Acc、业务评分PS和异常级评分TS均高于国家气候中心近年汛期预测业务平均水平.经过不断改进思路和优化具体建模方案,该方法具有较高的业务应用潜力.     

以用户为导向的交互式预报系统及应用研究

基于近年来涌现的有关新一代气象预报系统发展的认识,本文提出用户导向的交互式预报系统的概念模型。新系统强调在用户信息分析的基础上,发展从用户出发再回到用户不断自我改善的预报流程。系统组成的关键模块包括：用户端风险决策动态需求分析模块、物理预测模块、用户目标量的降尺度模块,用户端专业耦合模块及用户风险决策模块。文中阐述了系统中各模块间的联系、用户端信息在系统中的反馈作用以及具体的“交互式”方式。以临沂地区水文用户为例,以引发洪涝的降水事件为预报对象,利用TIGGE全球超集合预报,初步构建了一个临沂水文用户导向的可能致洪降水交互式预报系统。这个具备迭代式自我完善功能的新型预报系统包含了汛期随时变化的用户决策信息、由前期影响雨量和当前水文条件决定的可变致洪降水阈值以及一个动态的用户端预报水平和不确定性评估模块。初步结果表明,结合用户端信息的预报优于未考虑用户信息的预报结果,从而更直接地帮助用户进行防汛决策。个例研究也为发展更完整的用户导向预报系统提供了参考。     

区域集合预报增长模繁殖扰动方法研究

在建立区域AREM模式增长模繁殖(Breeding of Growing Modes,BGM)集合预报系统的基础上,设计了静态扰动(初始随机扰动、扰动限定)和动态扰动方法,利用2008年7月20日强降水个例,分析了不同类型扰动对强降水预报的影响.结果表明,静态和动态扰动都对中尺度暴雨预报具有积极的作用,扰动都不同程度地...     

一种求解贝叶斯模型平均的新方法

贝叶斯模型平均（Bayesian model averaging,BMA）是最近提出的一种用于多模式集合预报的统计方法.进行贝叶斯模型平均需要准确估算模型集合中每个竞争模型的权重与方差,经常采用的方法是期望最大化（Expectation-Maximization,EM）方法与马尔可夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo,MCMC）方法,两种方法各有优劣.本文首先对BMA的（对数）似然函数进行改进使之无需BMA权重之和为1的显式约束,并利用一种有限记忆的拟牛顿优化算法（LBFGS-B）对其进行极大化,由此提出了一种求解贝叶斯模型平均的新方法（BMA-BFGS）.采用三个陆面模式进行的土壤湿度多模式数值模拟试验表明：在计算精度方面,BMA-BFGS的精度与MCMC方法几乎一致,优于EM算法;在计算耗时性方面,BMA-BFGS的计算耗时与EM算法相当,远小于MCMC方法.     

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料Ⅰ.模拟资料试验

利用WRF模式及模式模拟的资料,开展了利用SVD-En3DVar(基于集合和SVD技术的三维变分同化方法)方法同化雷达径向速度资料的试验.由于雷达观测经常出现大面积空缺,同化时引入了一种局地化方法避免远距离虚假相关的影响.试验着重研究了不同的初始扰动样本产生方法以及不同的样本积分时间对同化结果的影响.提出了一种为预报集合提供初始扰动场的新方法,这一方法将温度和比湿的伪随机扰动场当作观测增量,通过3DVar (three-dimensional variational technique)系统生成所有变量的初始扰动场.试验表明,用这种方法给出的初始扰动样本各个变量间有较好的协调性,积分后扰动不会快速衰减,可以减少模式调整的时间,达到缩短同化循环时间窗的目的.同化雷达径向风资料后对12小时内的温度,湿度和水平风的预报都有所改进,对降水的预报也有一定改进.     

MEOFIS平台的苏州本地化释用和气温检验

基于现代天气业务发展要求而开发的MEOFIS精细化气象要素客观预报平台已被苏州市气象局引进并业务运行.该平台利用T639模式输出资料结合苏州历史实况资料建立预报方程,采用“动力-统计预报方法”,得到了具有精细化指导作用的要素预报产品,时间分辨率为3h,空间分辨率达乡镇级.经客观检验,2011年7月24 h日最低气温2℃...     

初始场的同化对短期气候预测的影响

基于已建立的三维变分资料同化系统(3D-VAR),利用大气环流模式(IAP9L2°×2.5°-AGCM),对同化和未同化2种初始场分别进行了17a(1988—2004年)的集合回报试验,并对试验结果进行了相关分析.结果表明:在热带地区,2组初始场下的集合回报结果差别很小,除热带外的中高纬地区差别较大,尤其是东亚地区;另外,大部分物理量场的17a异常空间相关系数的均值在同化后的初始场下也得到了提高,可能是因为同化的初始场包含了一段时间的大气信息,动力模式更加协调.     

广东“18.8”季风槽极端降水事件对流尺度集合预报分析

受季风槽影响,2018年8月30—31日华南地区出现一次极端暴雨过程,单日站点累计降水量达1?056.7 mm,刷新了广东有历史纪录以来新的极值。对于此次极端降水事件,常用的业务模式包括欧洲中期天气预报中心全球模式（ECMWF）、日本气象厅谱模式（JMA）和中国气象局广东快速更新同化数值预报系统（CMA-GD）,都低估了降水强度。利用深圳市气象局业务对流尺度集合预报系统分析了此次特大暴雨过程,结果表明：对流尺度集合预报系统对本次特大暴雨过程具有比较好的预报能力,概率匹配平均最大雨量达348.7 mm·(24 h)-1,集合平均的强降水中心和观测基本一致,观测极值附近区域发生大暴雨（≥150 mm）概率最大值达到80%。选取了较“好”和较“差”集合成员预报进行对比分析,发现较“好”成员预报的强降水中心位置和观测基本一致,而较“差”成员预报的降水中心位置则偏向福建地区。较 “好”成员预报出莲花山南侧地面中尺度辐合线较长时间的维持和缓慢移动,导致强降水雨团在莲花山脉附近不断地触发和维持,同时地形的阻挡作用使得对流系统在地形附近区域持续维持,造成了罕见的特大暴雨;而较“差”成员辐合区位于莲花山以北,对流形成后向东、向北移动,最终导致强降水预报位置偏向福建地区。