集合预报初值扰动在天气预报中的应用研究进展

对提高数值模式天气预报准确率和可用度,单个模式往往难以达到理想的目的,故常采用集合方法.例如,将模式的初值进行扰动后集合,或者将不同的预报结果集合,甚至运用多模式开展集合预报等.本文着重介绍集合预报初值扰动的应用研究情况,重点阐述目前最先进、最流行的两种方法--奇异向量法和增长模繁殖法.集合初值扰动研究近年取得了丰硕成果,也涌现了一些新的初值扰动方法.但很多问题仍有待解决,例如对初始场误差的进一步认识、误差的离散度还不够大、离散速度还不够快、更有效的扰动生成方法有待出现等.最后,对初值扰动的应用研究进行了展望.     

观测资料同化与有限区模式初期降水预报

选取1991年7月3日至4日出现在我国江淮流域的梅雨暴雨天气过程,针对有限区模式降水预报中“旋转加强”问题,试验2种初值化方法即牛顿连续松弛逼近技术和降水-湿度场调整方案来改进模式的初期降水预报。试验结果表明：(1) 用湿度场调整方案同化观测降水资料,使同化时段降水区的中低层低压系统明显加强,所形成的初值具有较好的中尺度信息;但该方案会出现观测值与模式不协调引起的虚假小扰动。(2) 用牛顿连续松弛逼近技术同化业务观测系统的速度场和温度场资料,所形成的初值场形成了大尺度特征,同时对应江淮雨带的中低层低压系统加强,所形成的初值能够具有一定的中尺度信息。(3) 因此两者结合得到了最好的预报效果。对于梅雨天气过程,牛顿连续松弛逼近技术更有效。     

用T106L19全球谱模式制作中期集合预报的试验

为解决传统的数值预报初值存在的不确定性,利用增长模繁殖法在T106L19全球谱模式上进行了中期集合预报试验.繁殖循环的初始扰动由模式24 h预报均方根误差和随机数的乘积构成,该随机数服从[-1,＋1]区间上的均匀分布,繁殖循环的周期为6 h,繁殖的总时间为3 d,集合成员为15个.结果表明：在1～10 a的预报中,无论是距平相关系数还是预报均方根误差,除第1天外,集合预报都优于控制预报,集合预报相对于控制预报的优势更主要地体现在对第3天以后的中期预报时段.从计算的离散度来看,集合平均预报的可信度要比控制预报的高.     

集合预报中初始扰动生成方法的探讨

阐述了4种生成集合预报初始扰动的方法,用其中的3种方法在微机版本的T63L9全球谱模式上进行了中期数值预报的集合预报试验,通过集合预报效果来检验初始扰动的优劣。结果表明：初始扰动的好坏对集合预报效果有至关重要的影响,总体而言,增长模繁殖法优于控制预报、蒙特卡洛法和时间滞后法,且集合预报的确能起到提高数值预报效果的作用。     

WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验

为了研究WRF模式中的参数化方案对暴雨数值模拟的影响及物理过程集合预报在WRF降水集合预报中的适用性,利用中尺度WRF3.0数值模式,将模式中的物理过程参数化方案进行组合,构造了20个集合预报成员,对2003年7月8、9日发生在江淮地区的一次降水过程进行了集合预报试验。得到:集合成员之间存在一定的不确定性,不确定性随降水量级增大而增大,最终维持在一个较高的水平;通过定量比较发现,对于0.1 mm量级降水和25 mm以上量级降水,积云对流参数化方案对降水的影响要大于行星边界层方案对降水的影响;而对于10 mm量级降水,行星边界层方案对降水的影响要大于积云参数化方案对降水的影响。对20个预报成员进行了集合平均及降水概率预报试验,结果表明,集合平均的结果要比各个成员的稳定、可靠;概率预报能够提供一些有利于降水预报的信息。     

集合卡尔曼滤波在浅水模式数据同化中的应用

为了研究集合Kalman滤波同化技术应用于非线性动力学模式的同化效果,通过利用集合Kalman滤波技术对浅水理论中均质不可压流体运动的动力学模式进行理想的数据同化试验.分析集合Kalman滤波同化方法应用于动力学系统的计算方法和步骤.比较三维变分和集合Kalman滤波的同化效果,讨论了集合Kalman滤波数据同化方法的基本性质和同化观测的频率对集合Kalman滤波同化效果的影响.通过试验证明,集合Kalman滤波数据同化方法能够成功地应用于浅水均质不可压流体的动力学系统,可有效地抑制估计误差的增长,为模式预报提供更加理想的初值,改善预报效果.     

二阶有限元浅水模式的伴随变分资料同化

应用二阶有限元浅水方程的伴随模式作资料同化场的数值试验,并利用极小化方法对具有随机扰动的初始场进行优化处理．通过该极小化算法,使所定义的目标函数达到最小,从而得到最优的气象要素初始场．数值试验结果表明：二阶有限元模式的变分资料同化对具有随机扰动的初始场的处理是很有效的．     

基于集合预报思想对一次暴雨过程的数值模拟

用MM5-V3对江淮流域的一次暴雨过程进行数值模拟，为了消除单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定。其中积云对流参数化方案分别采取5种不同的方案进行了计算，又对5种结果进行平均得到集合模拟结果。分析不同的模拟结果发现，对降水量的模拟，集合模拟结果更接近实况。不同的积云对流参数化方案对雨带位置的模拟效果相近。但对于卢中尺度雨团的模拟具有不确定性，而不同参数化方案的集合模拟结果，无论是对雨带还是雨团的模拟都是比较成功的，这也说明集合预报可以消除物理过程的不确定性，是提高预报准确率的一条有效途径。     

"98·7"特大暴雨降水资料的四维变分同化研究

1998年7月21日00UTC～22日00UTC,湖北省的武汉-黄石地区发生了特大暴雨,其中黄石市24 h降水量达276 mm.文中应用四维变分资料同化方法,研究了初值对这次暴雨过程数值模拟的影响.通过对6 h同化窗口内339个站点逐小时观测降水的变分同化,MM5伴随模式得到了一个与模式相协调并且在热力和动力上都接近于自然强降水发生的初始场,使用该初始场模拟的武汉-黄石地区的24 h降水量超过了220 mm.在同化降水观测资料的同时加入了湿度观测资料后,在一定程度上约束了模式的水汽场,防止了同化窗口内模式初始场越过最佳逼近,从而使降水模拟的TS评分得到进一步提高.     

基于人工神经网络集合预报的济南市臭氧预报方法

由于观测的不准确以及资料分析、同化中的误差,单一预报仅是一个可能的解。为弥补其不足,提出了一种基于人工神经网络集合预报的臭氧(O₃)预报模型,选取8类气象因子及2类污染物因子,搭建人工神经网络预报模型,并采用随机扰动方法,产生15组相互独立的随机扰动气象场,搭建人工神经网络集合预报模型,并以2013年—2019年5月—9月数据作为训练集,以2020年5月—9月数据作为测试集。结果表明:与单一人工神经网络预报相比,人工神经网络集合预报准确率明显提高,O₃污染命中率明显提高,O₃污染漏报率明显减少,O₃污染空报率略有增加;人工神经网络集合预报对O₃污染预报有过多倾向,而单一人工神经网络预报则有过少倾向;以2020年7月3日—9日的一次O₃重污染过程为例,与单一人工神经网络的确定性预报相比,人工神经网络集合预报能够更好地反映出污染的迅速累积上升及持续过程。通过提供定量的概率预报,人工神经网络集合预报可以给出多种可能性及其发生的概率,能为预报员提供包括不确定性在内的更多预报信息,该模型具有一定的实际应用价值。     

集合Kalman滤波同化方法在福建沿岸潮汐数值模拟和预报中的应用研究

为了提高潮汐数值模拟和预报的准确度,利用《2009潮汐表》,建立了含集合Kalman滤波同化模块的潮汐数值预报模型,对集合Kalman滤波同化模块中的参数进行确定,并对同化效果进行了检验.为了确定集合Kalman滤波同化模块中的参数(主要是集合数和截断半径),考虑了42种参数组合,在这些组合中,以模拟准确度和计算相同时段的潮汐值所需时间为标准,存在最优的参数组合:其中,东山、厦门、娘宫、崇武4个站最优的截断半径为35 km,三沙站最优截断半径为30 km,5个站的最优集合数均为20.实验结果表明:将集合Kalman滤波同化方法用于潮汐数值预报模拟中是可行的,同化验潮站的潮汐表上的潮位数据对验潮站本身及其邻近网格点的潮汐模拟改进最大;当5个站不同化调和数据进去的时候,东山、厦门、娘宫、崇武4个站的模拟准确度,在未来12 h仍然有所提高.     

中尺度WRF模式在资源环境评估领域的应用进展研究

中尺度WRF模式是由美国国家自然科学基金和NOAA共同支持的新一代中尺度预报模式和同化系统.它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统、更丰富的内部参数化方案.介绍了WRF模式的动力学框架、WRF模式的各种参数化方案、近15年来WRF模式在气候资源预报领域的应用.最后,对WRF数值模拟存在的问题进行了阐述,并展望了WRF数值模拟今后的发展趋势.     

全球区域同化预报系统在台风移动与登陆预报中应用

全球区域同化预报系统为中国新一代数值天气预报模式.使用全球区域同化预报系统模式产品和常规观测资料,模拟预报了2005年4个登陆强台风,得到全球区域同化预报系统模式对于台风移动路径、登陆时间、地点、强度等方面的预报能力的初步评价,为应用全球区域同化预报系统模式进行台风天气预报和分析以及对于模式的进一步改进提供一些有意义的依据.结果显示,全球区域同化预报系统模式预报的台风路径24 h平均距离误差小于150 km,48 h平均距离误差小于200 km.模式预报台风强度偏弱,原因在于模式的初始场对台风强度的描述远低于实况,下一步需要改造模式初始场.     

集合卡尔曼滤波同化理论及其在一次暴雨过程中的应用

集合Kalman滤波用于数值试验有着雄厚的理论基础。本文介绍了集合Kalman滤波理论及其技术实现,在此基础上搭建了集合Kalman滤波同化系统,并用MM5模式做同化实际探空资料48小时的试验。试验结果表明:集合Kalman滤波同化探空资料可以改善MM5模式的预报效果。     

初始场对暴雨数值预报影响的敏感性试验

为了研究初始场不确定性对暴雨预报的影响,利用尺度分离的方法,在AREM模式分析场上构造了初值扰动,并通过在模式初始物理量上叠加或扣除这些扰动,设计了不同的敏感性试验.试验结果表明,暴雨预报结果对模式的初始相对湿度、温度和风场是敏感的,而对初始位势高度的敏感性较弱.由于各物理量是相互联系和制约的,单独改变某个物理量对暴雨...     

GRAPES 奇异向量研究及其在暴雨集合预报中的应用

为了产生好的集合预报初始扰动, 并能够用有限的集合样本来模拟大气概率密度函数在相空间中的时间演变, 把奇异向量法引入非静力 GRAPES 中尺度模式中, 研究了 GRAPES 奇异向量的基础性问题和基于奇异 向量构造集合样本的方法。对2008 年7 月的一次西南涡移动带来的暴雨过程进行 GRAPES SVs 求解, 并进行集合预报试验。结果表明: 前 27 个 GRAPES SVs 反映了分析误差的主要信息; 要素的集合平均的均方根误差比控制预报具有更好的预报技巧, 且它们的集合离散度随时间逐渐增加, 反映了预报误差的主要信息; 从降水 Brier 评分和 ROC 技巧上可以看出该集合预报具有好的概率预报技巧, 能为暴雨预报提供一定的指导作用。     

基于TIGGE数据的西太平洋副热带高压多模式集成预报及检验

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料中的中国气象局(CMA)、日本气象厅(JMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、美国国家环境预报中心(NCEP)和英国气象局(UKMO)等5个中心的500hPa位势高度场数据,评估了各中心对西太副高控制预报和集合预报的效果,并采用了多模式集成平均(EMN)、消除偏差集成平均(BREM)和滑动训练期超级集合(R_SUP)3种方法对各中心数据进行集成.评估方法包括Talagrand分布、相关系数、均方根误差、Brier技巧评分等.结果表明:各中心预报效果有明显差异,各模式对500hPa位势高度场控制预报中,UKMO预报效果最好,而各模式对500hPa位势高度场集合预报中,则是ECMWF预报效果最好.从均方根误差改进率来看,基于控制预报的BREM和R_SUP集成方法明显降低了对500hPa位势高度场预报的均方根误差,而EMN则无明显改进.基于集合预报的3种集成方法对500hPa位势高度场预报的改进效果不明显,综合评分略低于ECMWF单模式集合预报.     

非线性扰动方程方法在具有“on-off”振荡的变分资料同化中的可行性

针对一个含有“on-off”振荡的概念模式,研究了非线性扰动方程的伴随方法（NPE方法）在含有“on-off”振荡的变分资料同化中的可行性与有效性。对解析情形,通过非线性扰动分析给出代价函数关于控制方程初值的梯度表达式并将结果用于同化。比较同化数值实验结果表明：当“on-off”振荡出现在控制方程中时,用传统的伴随方法很难捕捉到目标函数的全局最小值点,而用NPE方法,资料同化基本都能给出全局极小值点。     

非线性扰动方程方法在具有"on-off"振荡的变分资料同化巾的可行性

针对一个含有"on-off"振荡的概念模式,研究了非线性扰动方程的伴随方法(NPE方法)在含有"on-off,'振荡的变分资料同化中的可行性与有效性.对解析情形,通过非线性扰动分析给出代价函数关于控制方程初值的梯度表达式并将结果用于同化.比较同化数值实验结果表明:当"on-off"振荡出现在控制方程中时,用传统的伴随方法很难捕捉到目标函数的全局最小值点,而用NPE方法,资料同化基本都能给出全局极小值点.     

边界条件对中尺度数值预报模式影响的试验研究

利用WRF非静力中尺度数值预报模式,对2006年1月13—14日华北地区及山东半岛一次大雾天气过程进行不同大小模拟区域、不同边界条件(分别采用NCEP和T213资料)的模拟对比试验,对模拟预报场与实际分析场进行对比分析.结果表明:中尺度模式初值显著影响模式积分开始后的一段时间,随着时间的延长,边值对模式预报的影响愈加显著;初值与边值影响的时间长短与模式区域有关,模式区域越大,初值影响时间越长,边值影响整个区域的时间越晚;反之,模式区域越小,则模式初值影响时间越短,边值起决定作用的时间越早;模式边界值信息影响模式内区的地面信息的速度大约与中低层天气尺度波动移动速度相当;模式初值影响地面及低层要素的时间比高层要素长,相反边值影响高层要素的时间比低层快得多,这与稳定形势和高低空气流速度的差异有关;模式初值影响热力要素及水汽要素的时间比动力要素要长.这些结论为区域中尺度模式的建立起到一定的指导意义.