集合预报简介
集合预报应用指导手册
集合预报应用指导手册世界气象组织,2012WMO—No.10912013年5月世界气象组织2012年8月正式发布了集合预报应用指导手册。
为推进我国集合预报业务应用发展,中国气象局预报与网络司组织国家气象中心集合预报应用团队对该指导手册进行了编译。
手册的翻译工作主要由陈良吕、陈静牵头完成,陈静、邓国对手册中文翻译稿进行了校对。
手册英文版可查阅http://www.wmo.int/pages/prog/www/Documents/1091_en.pdf。
目录1.引言 (1)2.为什么需要集合预报 (1)3 集合预报种类 (2)3.1全球集合预报系统(Global EPS) (2)3.2 区域集合预报系统(Regional EPS) (2)3.3 对流尺度集合预报(Convective-scale EPS) (3)4. 标准集合预报产品 (3)4.1 模式直接输出产品 (4)4.1.1 集合平均(Ensemble mean) (4)4.1.2 集合离散度(Ensemble spread) (4)4.1.3 天气要素概率图(Basic probability ) (4)4.1.4 分位数(Quantil es ) (5)4.1.5面条图(Spaghetti maps) (6)4.1.6邮票图(Postage stamp maps) (6)4.1.7单站集合预报(Site-specific meteograms) (7)5.集合预报系统应用建议 (7)6. 应用集合预报系统制作确定性天气预报 (8)6.1 通过确定性预报做决策 (10)7.描述可能出现的情况 (10)8.全概率预报(Full probabilistic forecast) (11)9. 后处理(Post-processing) (12)9.1 统计后处理(Statistical post-processing) (12)9.1.1 概率分布函数(probability distribution function)的一阶距偏差订正 (13)9.1.2概率分布函数的二阶距偏差订正 (14)9.2 降尺度技术(Downscaling ) (14)9.2.1 动力降尺度技术(Dynamical d ownscaling) (14)9.2.2 地形降尺度技术(Topographic d ownscaling using simple physical models) (15)9.2.3 站点数据提取(Site-specific extractions) (15)9.2.4 统计降尺度技术(Statistical d ownscaling) (15)9.2.5 高影响天气诊断方法(High-impact weather diagnostics) (16)9.2.6 结合低分辨率集合预报系统和高分辨率控制预报的降尺度技术 (16)9.3 聚类分析技术(Clustering techniques) (16)9.4 再预报方法(Use of reforecasts) (17)9.4.1 极端天气预报指数(Extreme Forecast Ind ex) (17)9.4.2 分位数匹配法(Quantile–quantile matching) (18)9.5 特征跟踪(Feature tracking) (18)10. 集合预报系统在灾害性天气预报和预警发布中的应用 (18)11. 灾害性天气影响模型 (21)12. 集合预报系统检验 (21)13. 预报员训练 (23)1.引言集合预报系统不仅给出单一的最佳可能预报,还定量地估计天气预报的不确定性。
水文集合预报研究与应用综述
水文集合预报研究与应用综述作者:徐静等来源:《南水北调与水利科技》2014年第01期摘要:相对于传统的确定性水文预报,水文集合预报包含了水文预报各个环节的不确定性信息,因此在理论上更加科学,在生产实践中也提高了对暴雨、洪水、干旱等事件的认知和预报能力,为水资源管理和防洪抗旱提供了更精确的实用信息。
水文集合预报当前研究的热点是前处理与后处理,以及如何给出业务化的预报。
在回顾水文集合预报发展历程的基础上,总结了水文集合预报处理的方法及其应用研究,重点分析了水文集合预报系统中前处理、后处理两大模块,提出了水文集合预报发展面临的问题与挑战。
关键词:水文集合预报;不确定性信息;水文集合前处理;水文集合后处理中图分类号:TV122;P338;G353.11 文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2014)01-0082-06水文循环系统是一个高度的非线性系统。
水文模型是对这个复杂非线性系统进行简化并模拟的工具。
水文预报通常采用水文模型,模拟计算流量或水位预报。
传统单值水文预报主要基于实测降水和气温资料来预报洪水/干旱过程,预见期较短且未给出水文模拟的不确定性信息,而水文集合预报是一种既可以给出确定性预报值,又可以提供预报值不确定性信息的预报方法[1]。
相对于传统确定性预报,集合预报最大的不同点是给出带有概率信息的预报集合,而不是一个单值。
因此,结合气象预报信息以及概率预报优势的水文集合预报,逐渐成为水文预报研究与应用的新方向[2]。
1 水文集合预报发展历程气象预报的输出是水文预报的输入,所以水文集合预报的发展基于气象集合预报的发展。
在理论、方法及应用方面都吸收了气象集合预报的发展经验,并针对水文集合预报的特点进行了改进与发展。
水文集合预报的发展史可以归结为以下三个阶段。
(1)集合预报提出阶段。
对于集合预报的研究应追溯至1963年,Lorenz首先发现大气具有高度非线性的混沌特性,微小的初始条件扰动也会造成系统状态的极大偏差[3-4]。
地球物理科学集合预报方法国际会议简介
国家和地区组织 约 1 3 0位 科 学 家 参 加 了 大 会 交 流 。会 议 共 有 9个 特 邀 报
气象科技合作动态 2 0 1 3 年 第 3 期
7
合方法 在 资料 同化 中 的应用 理 论 、 方 法, 以及 在 主 要 数 值 中 心 业 务 同 化 系 统 中的应 用 ; ③ 集 合 预 报 技 术 后 处 理 技术 的 发 展 , 以 及 集 合 预 报 中模 式 误 差 的体 现 技 术 研 究 。
i t a t i o n Fo r e c a s t Mo d e l Ba s e d o n EPS
学研讨 平 台, 就 目前 集 合 方 法 在 资 料 同化 和 预 报 系 统 中 的 应 用 技 术 , 以 及
一
S y s t e m) 墙 报 报 告 。李 晓 莉 在 P OS T — E R 阶 段 交 流 了“ 中 国 气 象 局 区域 集 合
2 0 1 2年 l 1月 1 2 —1 6日, 中 国 气 象局 数 值 预 报 中 心 的 陈 静 和 李 晓莉 参
加 了地 球 物 理 科 学 集 合 预 报 方 法 国 际
会 议 。会 议 由 法 国气 象 局 、 世 界 气 象 组织 ( WMO) 和 法 国 国 家 研 究 基 金 委
P r e d i c t i o n S i mu l a t o r ) 的特 邀 报告 , 系
统 回顾 了 大 气 的 可 预 报 性 特 征 、 概 率
预 报 理 论 基 础 及 在 多 领 域 中 的 应 用
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预 报 系 统 简 介 及 其 在 季 风 季 节 的 应 用” 的 口头 报 告 , 介 绍 了 中 国 全 球 和 区
集合预报的现状和前景
集合预报的现状和前景Ξ杜 钧ΞΞ(美国国家海洋大气局国家环境预报中心)提 要 综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法———集合预报。
随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实,这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。
未来的天气预报产品预计将从“决定论”的预报转变为“随机论”的预报来正确地表达气象科学中这一所谓“可预报性问题”,以便更好地为用户服务。
文中扼要地叙述了集合预报的概念、基本问题及其最新的研究动态和发展,包括(1)如何建立和评估一个集合预报系统;(2)如何正确地表征大气初值和模式物理过程的不确定性与随机性;(3)如何从集合预报中提炼有用的预报信息和合理地解释、检验集合预报的产品,特别是概率预报。
除了直接在天气预报上的应用,还提到集合预报在气象观测和资料同化方面应用的动态,以引起有关研究人员的注意。
关键词:集合预报 随机性 确定性 可预报性和概率预报引 言 由于大气是一个高度非线性的系统,因而数值天气预报的结果对初始条件的微小误差非常敏感[1]。
Epstein [2](1969)为解决这一问题先在理论上提出了动力随机预报。
后来,Leith [3](1974)提出了一个比较适合于实际应用的所谓“蒙特卡罗”预报(Monte Carlo forecasting )。
经典的集合预报基本上就是基于这一蒙特卡罗预报概念的。
蒙特卡罗预报在业务预报上应用的一大难点是它需要耗费大量的高速计算机的机时来完成。
由于近年来计算机技术的突飞猛进,其运行速度越来越快,这一难点已逐渐地不再成为一个主要的障碍。
所以,集合预报在2001年初已得到欧美许多发达国家气象界的高度重视。
中国国家气象中心也已开始这方面的尝试。
作者认为集合预报将会在未来的数值天气预报体系中(包括气象观测、资料同化、模式运算以及预报信息的提炼与发布等)占有举足轻重的地位,甚至可能取代目前决定论式的单一预报。
集合预报的现状和前景
集合预报的现状和前景集合预报的现状和前景一、引言集合预报是气象学中重要的预报方法之一,它通过模拟大气的不确定性,并进行多次数值模拟,得出一系列可能的预报结果。
与传统的单点预报相比,集合预报能够提供更为全面、客观的气象预报信息,对于减小预报误差、提高预报准确率具有重要意义。
二、集合预报的发展历程20世纪60年代,集合预报的概念首次被提出,但当时由于计算机硬件和模式计算手段的限制,集合预报技术并未在实践中得到广泛应用。
20世纪80年代,随着计算机技术的快速发展,集合预报技术取得了突破性进展。
随后的几十年间,各国气象机构相继开展了集合预报的研究与应用,并在预报准确率提升、灾害预警等方面取得了显著成果。
三、集合预报的基本原理集合预报的基本原理是通过数值模型对大气系统进行多次模拟,每一次模拟都加入一定的初始误差,并通过模拟结果来计算出预报结果的概率分布。
在预报过程中,通过对不同的初始场和物理参数进行模拟,可以得到不同的预报结果,以概率的形式展示给用户。
用户可以据此对不同预报结果进行综合考虑,制定出更为科学合理的决策。
四、集合预报的应用案例1. 台风路径预测集合预报在台风路径预测中具有重要应用。
传统的单点预报容易受到初始场误差的影响,预报路径不稳定。
而集合预报能够通过多次数值模拟,融合不同的初始场信息,提供多条可能的台风路径预测,增加了预报的可靠性和准确性。
2. 大气污染预测集合预报在大气污染预测中也有广泛应用。
大气污染的传播受到空气运动、气象条件等多个因素的影响,并存在不确定性。
集合预报能够通过多次模拟,模拟不同的污染传播路径,提供多种可能的污染扩散情景,为决策者提供科学依据。
3. 气候变化预测集合预报在气候变化预测中也有着广泛的应用前景。
气候系统具有很高的复杂性和不确定性,通过集合预报可以模拟不同的初始条件和物理参数,并得到不同的气候变化趋势。
这对于制定气候变化适应策略、提高农业生产效益具有重要意义。
五、集合预报面临的挑战和前景集合预报虽然在气象领域取得了许多成就,但仍面临着一些挑战。
极端天气的数值模式集合预报研究进展
极端天气的数值模式集合预报研究进展极端天气的数值模式集合预报研究进展近年来,随着全球气候变化的不断加剧,极端天气事件频频发生,给人们的生产生活带来了巨大的影响。
在面对这些极端天气事件时,提前准确地预报成为了至关重要的任务。
传统的数值天气预报模式往往会出现预报不准确的情况,这主要是因为气象系统的初始条件和气候模式参数等存在不确定性。
因此,研究者们通过发展集合预报方法来提高极端天气事件的准确预报,为灾害防范与减灾提供更加可靠的支持。
集合预报是一种通过使用多个初始条件、参数集合运行数值模式来模拟给定天气事件的方法。
在集合预报中,每个成员都通过微小的差异来模拟天气的不确定性,从而产生多个预报结果,这些结果构成了一个集合,通过统计和分析集合中的预报结果可以获得极端天气事件的发生概率。
集合预报的核心思想是利用多样性来提高预报的可信度和可靠性。
近年来,随着气象科学和计算机技术的快速发展,集合预报在极端天气事件的预报中发挥了重要的作用。
首先,通过不同的初始条件和参数设置,集合预报可以模拟更多的可能性,从而提高了天气预报的范围和准确度。
其次,通过对集合中的预报结果进行统计和分析,可以得出极端天气事件发生的概率和可能性,进而提前做出有效的应对措施。
最后,集合预报还可以帮助确定预报模型的不确定性,为进一步优化气象模型提供了参考。
从方法来看,集合预报可以分为集合同化方法和统计后处理方法两大类。
集合同化方法主要是通过将观测数据与模型结果相融合,利用观测值来修正模型初始条件和参数,从而得到更加准确的极端天气事件预报结果。
高斯集合滤波器、卡尔曼滤波器和粒子滤波器等方法都是常用的集合同化方法。
统计后处理方法则是通过对集合中的预报结果进行统计和分析,利用概率统计的方法得出极端天气事件的发生概率和可能性。
常见的统计后处理方法包括集合平均、集合中位数和集合成员排列等。
尽管集合预报在极端天气的预报中显示出了巨大的优势,但仍然存在一些问题和挑战。
NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述
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金荣花-集合预报方法研究进展
误差,集合预报才会有明显的效果。好的模式包括两方面:一方面要求模式分辨率要高。然而 由于计算机资源的限制,只能施用计算机容量所能承受的最高分辨率模式。另一方面是模式的 物理过程。即将模式内物理参数调整到最佳状态,将有助于集合预报质量提高。
辨率,而不是大量地增加成员数目。”。
3.4产品制作
集合预报产品制作的关键问题在于:如何将如此大量的集合预报产品信息浓缩,以简捷、 有效的形式给预报员提供大气未来发展的有用信息。与早期单一的时间平均场相比,目前集台 预报的产品的种类有了很大的发展,大概有以下种类:
(1)单个预报。把所有集台预报成员和控制预报的结果依次排列缩放在一张大图上(邮票 图),把多种可能的天气形势变化趋势提供给预报员,预报员结合自己的主观经验进行综合判 断。同时,若其中出现异常的个倒,则提供了值得注意和进一步研究的问题。这无疑对实际业 务服务是有益的。当然,单个预报提供的信息量太大和过于细致,使预报员主观分析的效率降 低,为此,进一步开发了下面介绍的几类产品。
另外,NCEP最近进行了“多模式集合预报”试验。即同时使用两个或多个模式,每个模式 都有各自的集合预报系统,将这几套集合预报加在一起成为总集合预报。初步结果表明.多模 式集合预报比单模式集合预报更准确、更有用。
3.3集合样本数 理论上,当集台预报样本数趋于无穷时.集合平均所做出的预报最佳。然而实际情况中集
预报使用。该系统是一个由多个中尺度模式组成的、使用孵化法产生初值扰动、有10个左右成 员、覆盖整个美国太陆的短期预报(o~72小时)系统。
集合预报以概率形式发布产品,符合天气预报未来发展趋势。气象界对大气演变和天气预 报的不确定性认识的发展,单一的确定性预报最终会被动力随机(概率)预报所代替。因此,集 合预报作为数值预报未来发展方向将不断发展和显示其实用价值。
集合预报1
Global Forecast System (GFS) Ensemble /map/images/ens/ens.html
26
3.2 “邮票”图
33 个 成 员 ( 客 观 分 型 )
500hPa高度场(欧洲地区第7天预报)
51 个 成 员 ( 表 面 气 压 )
Wuhan 13-22 March 2009
Wuhan 13-27 March 2009
Shanghai 10-19 October 2006
Beijing 20110530 -0613
成都
20110530 -0613
Jinan
20091015-24
Gray shaded area is 90% Confidence Interval (CI)
The work of Lorenz (1963, 1965, 1968) demonstrated that the atmosphere is a chaotic system, in which small differences in the initialization, well within observational error, can have large impacts on the forecasts, particularly for longer forecasts. In a series of experiments he found that small errors in initial conditions can grow so that all deterministic forecast skill is lost at about two weeks.
全球集合预报系统综述
全球集合预报系统综述主要介绍集合预报系统的发展,以及目前业务预报中所能获取的主要全球集合模式的系统配置,包括中国T639集合预报模式、ECMWF(欧洲中期天气预报中心)集合预报模式、美国NCEP(国家环境预报中心)和加拿大CMC(加拿大气象中心)集合预报模式。
不同用户在根据集合预报结果进行决策时,往往比单一预报得到更多的信息,可以帮助预报员和公众作出更好的决策。
标签:集合预报系统;集合预报类型;模式配置;集合预报发展Abstract:This paper mainly introduces the development of the ensemble forecasting system and the system configuration of the main global ensemble models that can be obtained in the operational forecasting at present. These models include China’s T639 ensemble forecast model,ECMWF (European Center for Medium-Term Weather Forecast)ensemble forecast model,NCEP (National Environmental Forecasting Center)and CMC (Canadian Meteorological Center). Different users tend to get more information than a single forecast when making decisions based on the ensemble forecast results,which can help forecasters and the public to make better decisions.Keywords:ensemble forecast system;ensemble forecast type;model configuration;ensemble forecast development1 集合预报系统简介大气具有混沌特性,对于初始场的微小误差高度敏感,这种误差会迅速增长,影响可预报性[1-3]。
基于集合预报的淮河流域洪水预报研究
基于集合预报的淮河流域洪水预报探究引言淮河流域是中国重要的流域之一,也是洪水频发的地区。
准确预报淮河流域的洪水是防洪抗涝工作的关键。
传统的洪水预报方法主要依靠个别数值模式的输出结果,然而由于各种因素的不确定性,单一模式往往难以满足准确的预报要求。
因此,基于集合预报的洪水预报方法应运而生。
本文将介绍,重点谈论集合预报技术的原理、方法和应用。
一、集合预报技术的原理集合预报技术是指在洪水预报中使用多个数值模式的集合输出结果,通过统计方法分析、整合和加权计算得到预报结果。
其原理在于,不同的数值模式可能在地理和物理参数、模拟方法等方面存在差异,因此它们的预报结果也会有所不同。
通过将多个数值模式的预报结果进行集成,可以减小单一模式的不确定性,提高洪水预报的准确性。
二、基于集合预报的洪水预报方法1. 集合生成集合生成是基于集合预报的第一步,主要通过运行多个数值模式,并针对不同的物理和数值参数进行屡次模拟。
这样可以获得多个数值模式的集合输出结果作为后续预报分析的基础。
2. 不确定性分析不确定性分析是基于集合预报的关键环节之一。
通过对集合输出结果进行统计分析,可以获得各种不确定性的信息。
常用的不确定性分析方法包括方差分析、概率分布函数分析等。
这些方法可以定量地描述洪水预报结果的不确定性程度,从而为后续的预报改进和决策提供依据。
3. 集成方法集成方法是基于集合预报的核心技术,用于将多个数值模式的预报结果进行整合和加权计算。
常用的集成方法包括均值法、加权平均法、融合法等。
这些方法可以依据不同的需求,对不同的数值模式进行合理的加权,从而得到更准确的洪水预报结果。
三、基于集合预报的洪水预报应用探究1. 洪水预警和决策支持基于集合预报的洪水预报可以提供更准确的洪水预警信息,为有关部门制定洪水应急预案和决策提供科学依据。
通过对不同数值模式集合输出结果的比较,可以评估不同预报结果的可信度,并准时调整预警等级和警报范围,提高预警的准确性和准时性。
集合预报简介
2 扰动产生方法
初始扰动产生方法
随机方法 时间滞后方法 增长模培育法(NCEP方法) 奇异向量方法(ECMWF方法)
初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量。 初始场扰动方法的基本原则是: (1)扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布 较一致,以保证每个初始场都可能代表大气实际 状态。 (2) 每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能 大地发散,以保证预报集合最大可能地包含实际 大气可能状况。
使用那些产品,依赖于我们对什么问题感兴 趣。
没有哪种单一产品能提供全部的信息。
集合预报系统使用建议
集合预报系统很好的表现了预报变量的不确定性 通常而言,集合预报系统对高层大气变量的预报技巧比地表变量
好; 随着模式分辨率和模式性能的提高,地面要素的预报能力也在不
断提高。 集合预报系统能力通常和它采用的模式的预报能力相当
用适当的方法构造一族不同初值的不同模式的预报样本在同一时效做出多个预报结果这一预报集就称为集合数值天气预报简称集合预报ensembleprediction2天预报4天预报日本英国欧洲中心增长模培育法ncep方法奇异向量方法ecmwf方法最简单方法是montecarlo如将随机值加到格点场谱系数或经验正交函数中
面条图
只画出变量的的某些等值线。 所有的集合成员都显示在一张图上。 有效地得到预报的不确定性。
090512 0000 - 0517 0000 5280 和 5700等值线
优点:
简洁 所有成员 得到所关心的等值线预报的可能分布信息。
缺点:
不是预报可能分布的完整信息。 需要更多的信息。 可能会看上去很乱。
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
全球热带气旋集合预报技术综述_沈越婷
全球热带气旋集合预报技术综述沈越婷1,2 钱传海2( 1 成都信息工程学院,成都 610225;2 国家气象中心,中国气象局,北京 100081 )摘要:集合预报技术应用于热带气旋的数值预报研究起始于1990年代中期。
而随着计算机性能的快速提高和资料同化技术的发展,热带气旋集合预报在近10年来逐步投入业务应用。
集合预报是减小因初始条件不确定性、模式物理过程不确定性及模式不确定性对数值预报结果产生影响的有效方法。
集合预报比单一预报提供更多的经济效益。
本文总结了四个中心的TC集合预报ECMWF、NCEP、CMA和JMA目前的TC集合预报发展概况;对四家热带气旋集合预报的对比分析。
关键词:热带气旋,集合预报,不确定性,全球应用,研究进展1 引言热带气旋业务预报的核心支撑来自于数值预报。
数值预报技术的发展,给预报员提供了时效越来越长、准确性越来越高、表现形式越来越丰富的指导产品,推动了热带气旋业务的快速发展。
近20年来全球热带气旋路径预报取得了长足进步。
中央气象台24h台风路径预报误差和20年前相比减少了80~100km,48h路径预报准确率与20年前的24h预报准确率相当,而72h路径预报准确率甚至高于20世纪90年代初48h预报水平(文献)。
而在北大西洋,1~3天的飓风路径预报误差和15年前相比减少了50%,4~5天的误差和10年前相比减少了40%[1]。
数值天气预报是现代天气业务的第一次革命,预报员正是站在数值预报这一“巨人”肩膀上使得热带气旋路径预报稳步提高。
然而,数值预报不是万能的,即便再好的数值模式有时也会出现较大的偏差[2]2008年的强台风“风神”、2010年超强台风“鲇鱼”、2011年超强台风“梅花”、超强台风“南玛都”由于ECMWF等数值模式的确定性预报出现较大的系统性偏差,导致预报员对台风登陆点的预报出现较大误差,引起较大的社会反响。
大气的混沌特性表明大气状态的演变对初始场非常敏感,即便初始场的微小误差(这种误差甚至小到预报员无法注意到)也可能导致完全不同的预报结果[2,3]。
集合数值预报产品应用方法概述
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·76·2018年第08期文章编号:2095-6835(2018)08-0076-02集合数值预报产品应用方法概述孙令东(巴彦淖尔市气象局,内蒙古巴彦淖尔015000)摘要:简要介绍了集合数值预报产品应用方法。
通过对集合平均、集合离散度、集合概率预报、集合分位值预报、集合中位数、集合预报邮票图、集合预报面条图和集合箱线图的定义和使用方法进行概述,为预报服务人员使用集合预报产品提供了参考依据。
关键词:集合数值预报产品;集合平均;集合概率预报;集合预报面条图中图分类号:P457.6文献标识码:A DOI:10.15913/ki.kjycx.2018.08.0761集合平均或中位数集合平均是所有集合成员预报值的算数平均值。
集合中位数是集合成员预报值按数值大小排序后的中间值。
由于集合平均平滑掉了可预报性较低的信息而保留了可预报性较高的信息,因此,集合平均的检验评分通常优于控制预报或单个成员预报。
集合平均一般适用于气温、气压等符合正态分布的气象要素,而对于降水、风速等呈非正态分布的要素则不太适用,对这些非正太分布的要素用集合中位数可能比用集合平均更好,因为集合平均可能会受到降水、风速等异常大(或异常小)的值影响。
由于集合平均对预报信息进行了平滑和过滤,因此,对于可预报性较低的高影响天气或极端天气事件以及尺度较小的天气特征,集合平均的预报值可能无法反映。
此时,需要考虑概率较低、但天气剧烈的灾害性天气发生的可能性。
2集合离散度集合离散度是所有集合成员预报值的标准差,用来表示成员之间的差异程度。
集合离散度可用于评估预报的不确定性,通常而言,离散度越大,预报不确定性(或可信度)越高;离散度越小,预报不确定性(或可信度)越小。
集合平均和集合离散度经常在一张图上表示,便于预报员综合地了解集合预报的平均状态和不确定性特征。
ECMWF集合预报产品在河南省暴雨预报中的应用
ECMWF集合预报产品在河南省暴雨预报中的应用张霞;梁钰;史一丛;乔春贵【摘要】对2014到2015年5—8月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的9类与降水相关的集合预报基本产品和统计量(以下简称集合预报产品)进行暴雨TS评分检验,筛选出:%90分位数、最大值、控制预报、融合产品、概率匹配平均5个评分较高产品.对所选产品做暴雨过程的应用效果分析发现:5个集合预报产品的强降水中心位置预报与实况较接近,大部分产品对大雨以上降水落区预报与实况较接近,但存在强降水中心极值预报较实况偏小的不足;最大值产品对于暴雨落区范围和强降水中心极值的预报通常较实况偏大;5个集合预报产品均表现为0~72 h时效内预报效果最好,72 h之后各产品对暴雨的预报能力明显减弱.基于检验和分析结果,采用百分比权重集成技术建立暴雨预报方法,2016年业务应用结果表明,集成后的暴雨预报产品效果优于单个集合预报产品.%According to the heavy rainfall forecast of TS score verification results in the European Centre for Medium Range Weather Forecasts(ECMWF)9 ensemble forecast products and basic statistics are related with precipitation from May to August in 2014 and 2015,5 products are selected which have higher scores of % 90 quantile,maximum,control,statistic fusing and probability matching products. The application effect of heavy rainfall process analysis shows that the prediction position of the strong precipitation center of the 5 forecast products is closed to the observations. The area of precipitation over heavy rain is similar to observations in most products,while the prediction value of extreme heavy rain is smaller than observations. The maximum forecast product for the area of heavy rainfall and the value ofextreme heavy rain are usually larger than observations.The 5 ensemble forecast products show the best prediction effect within 0 h to 72 h,while the forecast ability of the products are obviously weakened after 72 h. Based on the results of verification and analysis,the method of percentage weight integration is used to establish the heavy rain forecast method. The application results in 2016 show that the integrated heavy rain forecast products are better than the single ensemble forecast product.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】7页(P609-615)【关键词】集合预报;统计量;过程检验;暴雨预报【作者】张霞;梁钰;史一丛;乔春贵【作者单位】河南省气象台,郑州450003;中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州450003;河南省气象台,郑州450003;河南省气象台,郑州450003;河南省气象台,郑州450003【正文语种】中文【中图分类】P459.9预报集合的一种数值预报方法[1-5].一个集合预报系统,往往有数10个不同成员,各成员间预报结果不同,预报差异较大.金荣花[6]等采用Ward聚类法开发了中国集合预报的聚类产品系统;李泽椿[7]等研发了国家气象中心集合数值预报业务系统;严明良等[8-11]提出了几种基于超级集合预报思想的多模式数值预报动态变权集成处理方法,将之应用于降水及气温等要素的预报业务中;陈法敬[12]等利用贝叶斯统计处理技术研究了集合预报产品在温度预报中的释用技术;李小泉[13]等将集合预报释用于中期预报业务中.对于集合预报在暴雨预报方面的释用,也有一些研究成果[14-18]:周迪等[19]提出将集合预报降水累积概率分布与观测降水累积概率分布进行概率匹配,对降水量为50 mm的集合预报平均值进行订正,获得暴雨预报订正值,应用于四川盆地暴雨预报;刘琳等[20]建立了基于集合预报与模式历史预报累积概率密度分布函数连续差异的数学模型——极端降水天气预报指数,提前3~7 d发出极端强降水预警信号;包红军等[21]采用多模式和多分析集合预报技术,建立了基于集合预报的淮河蓄洪区流域洪水预报及早期预警模型.欧洲中期天气预报中心(ECMWF)从1992年开始建立的集合预报系统,目前已经发展成为采用奇异向量初值扰动技术、具有51个集合成员的全球集合预报系统,其产品广泛应用于我国各级气象部门的预报业务中.本研究利用2014—2015年ECMWF集合预报产品,对其在暴雨中的预报效果进行TS评分和过程预报效果评估,依据评估结果,选取对暴雨预报效果较好的5个集合预报产品,采用百分比权重集成技术建立暴雨客观预报方法,2016年业务应用效果显示,该客观产品的暴雨评分高于单个集合预报产品和ECMWF细网格确定性模式.1 资料说明1.1 所用资料1.1.1 集合预报资料 2014年和2015年5—8月每日20:00起报的ECMWF集合预报产品(包括集合预报的基本产品和采用相关算法对集合预报基本产品进行再处理,得到的统计量产品),产品为6 h间隔、24~240 h预报时效.1.1.2 实况雨量资料河南省119站自动雨量站2014—2015年与集合预报产品相对应的逐日20:00-20:00(北京时间,下文同)24 h降水量观测资料.1.1.3 暴雨日资料暴雨日选取标准以前一日20:00至当日20:00的24 h降水量为统计单位,若有连片10站日雨量≥25 mm,其中有5站日雨量≥50 mm,则计为一个区域暴雨日.依据上述标准,选出2015年汛期5—8月8个区域暴雨日,分别为5月2日、6月16日、6月24日、6月25日、6月27日、7月15日、7月16日、8月5日.1.2 本文集合预报产品简介1)集合平均:指所有集合成员预报值的算术平均.2)集合分位数:集合分位数是集合所有成员组成的概率分布的某个分位值的预报值.通常所用的分位值包括集合成员的最大值、最小值、第25百分位、第50百分位(即中位数)和第75百分位.另外,经常用第10百分位、第90百分位表示集合概率预报极端特征.统计表明,%90分位值在暴雨量级接近观测.3)最大值:最大值是指集合所有成员中对降水的最大预报值,统计表明,最大值在大暴雨量级接近观测[23].4)控制预报:指不加扰动的预报结果,作为集合预报的一个成员.5)融合产品:若集合最大值≥100 mm,则融合值为集合最大值;若集合%90分位值≥50 mm,则融合值为%90分位值;若集合%75分位值≥25 mm,则融合值为%75分位值;若集合中位值≥10 mm,则融合值为中位值;上述条件都不满足的情况下,融合值取集合%10分位值.6)概率匹配平均:选定某一区域,将区域内n个成员所有预报从大到小排列,保留每n/2间隔的预报值;将集合平均场按从大到小排列;将第一步保留下来序列与集合平均序列匹配,即得到概率匹配平均产品.7)集合众位数(Mode):是集合成员中最常出现的值,表示集合所有成员组成的概率分布上具有明显集中趋势点的数值.计算公式:2 集合预报产品对暴雨预报能力评估检验2.1 TS评分检验2.1.1 检验方案对实况或集合预报产品预报值出现≥50 mm的情况进行TS检验评定,分别采用TS准确率、空报率和漏报率来界定暴雨预报效果.暴雨检验分类见表1.表中NA为有暴雨预报正确站/次数,NB为空报站/次数,NC为漏报站/次数,ND为无暴雨且预报正确站/次数,具体计算方法见公式(2)~(4).表1 暴雨检验分类表Tab.1 Classification of heavy rain verification预报暴雨/mm≥50.0<50.0实况暴雨/mm≥50.0 <50.0 NaNC NB ND将集合预报产品的格点降水预报值采用双线性插值方案插值到河南省119个站点上,以站点实况为依据进行质量评估,最终将各站评定时段内的评分结果进行算术平均得全省结果.参与检验的集合预报产品包括中位数、%75分位数、%90分位数、最大值、Mode值、控制预报、集合平均、融合产品和概率匹配平均9个产品,检验时段为2014年—2015年5月1日—8月31日.2.1.2 检验结果分析图1给出了检验时段9个集合预报产品的暴雨评分结果:%90分位数、融合产品、最大值、%75分位数、概率匹配平均和控制预报6个产品的TS评分相对较高,1~3 d平均TS评分均在10%以上(我国暴雨的TS 平均评分一般低于20%),对暴雨有一定的预报能力,而集合平均、中位数和Mode产品的暴雨TS评分均较低,1~3 d TS分别为6%、5%和4%,4~10 d 基本为0.大部分集合产品的TS评分在第4 d起有明显下降,4~10 d的平均TS 多低于5%,值得关注的是第6 d,%90分位数、%75分位数和概率匹配平均产品的TS评分高于4~5 d,接近或超过了10%,该3个产品对于暴雨的中期预报具有较好参考价值.9个产品中TS评分最好的是%90分位数产品,该产品在1~10 d内平均TS达8.4%,尤其是对于6~10 d的中期预报时效,TS平均仍达7.1%.图1 2014年—2015年5—8月各集合预报产品对河南省暴雨不同预报时效的TS 评分Fig.1 TS scores at different leading times of ensemble forecast products for heavy rain in Henan from May to August in 2014 and 2015 分析几个集合预报产品的暴雨空报率(图略),控制预报、%90分位数、融合产品和最大值1~10 d的空报率为41%~92%,尤以最大值产品的空报率为最高,对于大多数降水过程或多数站点而言,该4个产品的降水预报量级偏大,这4个集合预报产品虽然有较大空报率,但对于暴雨过程而言,仍具有较好可参考性.Mode值、中位数、集合平均、%75分位数和概率匹配平均的空报率较低(2%~15%).暴雨预报、大尺度模式的预报结果较实况往往偏小,因此选预报参考产品时,首先要剔除掉漏报率特别高的产品,从暴雨的漏报率(图略)来看,集合平均、中位数和Mode值1~10 d的漏报率均在80%以上,且4~10 d漏报率接近100%,对暴雨基本无预报能力,在暴雨预报中无参考价值.而其他6个产品中,最大值漏报率1~10 d平均低于5%,对暴雨几乎无漏报,%90分位数、融合产品的漏报率相对较小,平均值分别为40.7%和20.9%;75%分位数、概率匹配平均和控制预报等3个产品的平均漏报率为52%~80%,值得关注的是控制预报产品,1~10 d的平均漏报率为52.5%,而在中期时段的6~10 d,漏报率降至45%,该产品对中期时段的暴雨预报有参考价值.基于以上分析,综合考虑9个集合预报产品的TS评分、空报率和漏报率及其在短中期预报中的综合能力,选出5个对河南省暴雨预报有参考意义的产品(%90分位数、最大值、控制预报、融合产品、概率匹配平均)做过程检验,以评估其对河南省暴雨落区和强度的预报能力.2.2 集合预报产品的暴雨预报效果分析选取2015年河南省的8个区域暴雨日,对选出的5个集合预报产品1~3 d的暴雨预报能力做进一步检验,重点评估各集合预报产品对强降水落区、降水中心位置及中心极值的预报能力.以2015年6月27日的区域暴雨日为例,给出集合预报产品的1~3 d(24~72 h)预报产品与实况对比示例(图2~图4).2.2.1 集合预报产品对暴雨落区和强降水中心位置的预报效果评估1)%90分位数:ECMWF集合预报的%90分位数产品对河南省区域暴雨落区有较好的预报效果(图2),暴雨落区范围较实况整体偏大.检验的8个暴雨日中,有7个暴雨日%90分位数预报的暴雨区域与实况大雨区域有较好的对应关系(暴雨区预报较实况范围偏大),强降水中心位置与实况较接近;仅5月2日的暴雨,模式出现漏报;对暴雨落区的预报随着预报时效临近空报减少而逐渐接近实况.因此,对于大雨以上降水落区及降水中心位置的预报,%90分位数产品有较好参考价值.图2 2015年6月27日暴雨过程实况及%90分位数不同时效预报产品Fig.2 Precipitation on June 27,2015 and 90%quantile forecast products at different leading times2)最大值:ECMWF集合预报的最大值产品对河南省区域暴雨量级及范围预报整体偏大明显(图3).在检验的8个暴雨日中,暴雨区的预报范围较实况均偏大,随着预报时效临近,暴雨区范围和强度的预报逐渐调整接近实况.该产品对24~72 h暴雨中心位置的预报较其他4个集合产品更接近实况,因此,该产品对于暴雨中心位置的预报有一定参考意义,而对于暴雨范围预报参考价值不大,易导致大范围空报.图3 2015年6月27日暴雨过程实况及最大值不同时效预报产品Fig.3Precipitation on June 27,2015 and maximum forecast products at different leading times图4 2015年6月27日暴雨过程实况及不同时效融合产品Fig.4 Precipitation on June 27,2015 and statistic of fusing forecast products at different leading times3)控制预报:从所选8个区域暴雨日的检验来看(图略),6月16日、6月27日和7月15日这3个暴雨日无论从大雨以上量级的落区还是强中心的位置及强度都与实况较吻合,有很好的参考价值;7月16日的暴雨过程随着预报时效临近,控制预报对强降水落区预报调整得越来越接近实况,24 h的预报效果明显好于48 h和72 h;6月24日暴雨日反而是72 h时效的预报最接近实况;5月2日、8月5日两个暴雨日,强降水存在一定范围的漏报,而6月25日暴雨日强降水预报范围明显偏大,空报较多.上述检验结果反映:控制预报产品对于暴雨范围的预报效果不及%90分位数产品,对于暴雨中心位置的预报效果不及最大值产品,且随预报时效的临近预报,效果改善并不明显,因此在暴雨预报中控制预报产品的独立参考性有限.4)融合产品:分析8个区域暴雨日的集合预报融合产品检验结果发现(图略),有5个暴雨日(占总个例的62.5%)的强降水落区与实况接近,可参考性好.6月16日、6月24日两个暴雨日无论从大雨以上量级的落区还是强中心的位置及强度都与实况较接近,对暴雨预报有较好的参考价值,48 h和72 h预报效果反而好于24 h;6月27日(图4)、7月15日和16日3个暴雨日落区预报指示性也较好,而且随着预报时效的临近,大雨以上量级的落区预报调整的更加接近实况,即24 h预报效果明显好于48 h和72 h;6月25日降水落区预报偏差较大,5月2日、8月5日两个暴雨日强降水漏报较多.5)概率匹配平均:集合预报概率匹配平均产品的检验显示:6月27日(图略)和7月15日两个暴雨日无论从大雨以上降水落区还是强降水中心位置都与实况吻合较好;6月16日、7月16日两个暴雨日随着预报时效的临近,大雨以上降水落区预报更接近实况,24 h预报效果明显好于48 h和72 h;6月24日、25日两个暴雨日落区预报偏大,而5月2日和8月5日两个暴雨日强降水漏报较多.2.2.2 不同影响系统下集合预报产品的暴雨预报能力集合预报产品对不同影响系统造成的强降水中心极值预报能力有明显不同.高空槽影响下的暴雨,集合预报产品对强降水中心极值的预报较实况偏弱(如5月1-2日、8月4-5日、6月26-27日暴雨日),但若高空槽影响的同时伴有低空急流,则集合预报产品对于强降水中心极值的预报则偏强,至降水临近时向减弱调整(如6月15-16日暴雨日).切变线影响造成的暴雨,%90分位数、概率匹配、控制预报3种产品对于降水中心极值预报较实况偏弱,最大值和融合产品对极值的预报较实况偏强(如6月23-24日、24-25日两个暴雨日),切变线影响下的暴雨过程,集合预报产品对过程降水量的预报效果整体较好.西南涡影响下的暴雨过程,5种集合预报产品对于中心极值的预报均以偏强为主(如:7月14-15日、7月15-16日两个暴雨日).3 基于集合预报产品的暴雨预报方法依据质量评估及过程检验结果,选取%90分位数、融合产品、概率匹配平均、控制预报和最大值5个集合预报产品,采用百分比权重法设定权重系数(对于不同预报时效,依据质量评估结果采用不同的权重系数),建立暴雨的加权集成预报.权重系数计算如下式(5).设TSi为某集合产品某时效的TS评分值,则该产品的权重系数xi为:选定的5个因子总权重为1.基于集合预报产品的暴雨预报集成方法建立后,每日可自动输出河南省暴雨客观预报产品,该方法于2016年汛期进行业务试应用,效果显示:集成后的暴雨预报产品能更准确预报暴雨落区,并对暴雨中心强度有较好预报能力,空报较最大值产品明显降低.对2016年的暴雨预报产品采用TS评分办法进行质量评估,24~72 h暴雨的TS评分为17.38%、13.78%和8.86%,明显高于同期欧洲细网格确定性模式,预报效果较单个集合预报产品更好,可为河南省暴雨预报业务提供定量参考.4 小结1)TS评分检验显示,对暴雨预报能力较好的集合预报产品有%90分位数、融合产品、概率匹配平均、控制预报和最大值.其中,概率匹配平均、控制预报产品的空报率小于漏报率,预报较实况偏小,而融合产品、%90分位数和最大值产品预报较实况偏大.2)分析集合预报产品在8次区域暴雨过程中预报效果发现,%90分位数、概率匹配平均、融合产品和控制预报4个预报产品对于暴雨落区预报有较好参考价值,对于强降水中心位置预报与实况接近,但强降水中心极值预报通常较实况偏小;最大值产品对于暴雨落区的预报范围较实况偏大,强降水中心位置的预报与实况相接近,对暴雨中心极值的预报也较其他产品更接近实况.3)不同的影响系统造成的暴雨,集合预报产品对强降水中心极值预报能力有明显不同.高空槽影响下的暴雨,集合预报产品对强降水中心极值的预报较实况偏弱,但若高空槽影响同时伴有低空急流,则集合预报产品对于强降水中心极值的预报较实况偏强;切变线暴雨,%90分位数产品、概率匹配平均和控制预报3个产品对于中心极值预报较实况偏弱,最大值和融合产品预报较实况偏强;西南涡暴雨过程,5种集合产品对于中心极值的预报均以偏强为主.集合预报产品对于切变线影响下的暴雨预报效果更优.4)基于检验结果,选取5个集合预报产品,采用百分比权重法所建立的暴雨预报方法能够自动输出暴雨客观预报产品.2016年业务应用表明,该产品对暴雨预报效果优于单个集合预报产品和欧洲细网格确定模式,对河南省的暴雨预报业务有较好参考价值.【相关文献】[1]杜钧,陈静.单一值预报向概率预报转变的基础:谈谈集合预报及其带来的变革[J].气象,2010,36(11):1-11.[2]杜钧,邓国.单一值预报向概率预报转变的价值:谈谈概率预报的检验和应用[J].气象,2010,36(12):10-18.[3]陈静,陈德辉,颜宏.集合数值预报发展与研究进展[J].应用气象学报,2002,13(4):497-507.[4]杜钧.集合预报的现状和前景[J].应用气象学报,2002,13(1):16-28.[5]毛恒青,王建捷.集合预报业务使用现状和趋势[J].气象,2000,26(6):24-29.[6]金荣花,田伟红,矫梅燕.基于Ward聚类法的中国业务集合预报系统的产品开发[J].气象,2007,33(12):9-15.[7]李泽椿,陈德辉.国家气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用[J].应用气象学报,2002,13(1):1-15.[8]严明良,缪启龙,沈树勤.基于超级集合思想的数值预报产品变权集成方法探讨[J].气象,2009,35(6):19-25.[9]陈丽娟,许力,王永光.超级集合思想在汛期降水预测集成中的应用[J].气象,2005,31(5):52-54.[10]智协飞,林春泽,白永清,等.北半球中纬度地区地面气温的超级集合预报[J].气象科学,2009,29(5):569-574.[11]林春泽,智协飞,韩艳,等.基于TIGGE资料的地面气温多模式超级集合预报[J].应用气象学报,2009,20(6):706-712.[12]陈法敬,矫梅燕,陈静.一种温度集合预报产品释用方法的初步研究[J].气象,2011,37(1):14-20.[13]李小泉,刘金达,汪迎辉.集合预报及其在中期天气预报中的应用[J].气象,1997,23(8):3-9.[14]吴志鹏,陈静,张涵斌,等.基于集合预报的持续性强降水可预报性评估方法研究[J].暴雨灾害,2014,33(2):97-105.[15]朱鹏飞,邱学兴,王东勇,等.ECMWF降水极端天气指数在安徽省的应用评估[J].暴雨灾害,2015,34(4):316-323.[16]陈朝平,冯汉中,陈静.基于贝叶斯方法的四川暴雨集合概率预报产品释用[J].气象,2010,36(5):22-39.[17]李俊,廖移山,张兵,等.集合数值预报方法在山洪预报中的初步应用[J].高原气象,2007,26(4):854-861.[18]陈静,薛纪善,颜宏.华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验[J].气象学报,2003,61(4):432-446.[19]周迪,陈静,陈朝平,等.暴雨集合预报~观测概率匹配订正法在四川盆地的应用研究[J].暴雨灾害,2015,34(2):97-104.[20]刘琳,陈静,程龙,等.基于集合预报的中国极端强降水预报方法研究[J].气象学报,2013,71(5):853-866.[21]包红军,赵琳娜.基于集合预报的淮河流域洪水预报研究[J].水利学报,2012,43(2):216-224.[22]杜钧,GRUMM R H,邓国.预报异常极端高影响天气的“集合异常预报法”:以北京2012年7月21日特大暴雨为例[J].大气科学,2014,38(4):685-699.。
金荣花-集合预报方法研究进展
4 我国国家气象中心集合预报业务现状
目前国家气象中心集合预报采用sv法产生扰动初值,即用T21L19切线性模式和它的 共轭来计算最快增长模,用T106L1 9模式进行10天动力延伸预报,最后产生32个集合预报 样本(包括控制预报、31个扰动预报),整个过程在神威并行机上计算运行。该集合预报系统于 1999年12月25日正式投入准业务运行。它可提供降水概率预报。850hPa温度距平概率预 报、500hPa高度场逐日集合平均、500hPa高度场10天平均等集合预报预报产品。中央气象台 中期科,逢9日常会商或重要天气会商时接收上述集合预报产品,作为下一旬天气预报中第二
对于不同的集合预报方法如lafsvbgm方法之间能够产生最佳初值扰动者最佳集台样本数最少11997年杜钧等人的工作得出对于一般的天气现象来说10个左右的成员大致就够了从而提出当计算机条件改进时比较明智的做法是提高模式的分辨率而不是大量地增加成员数目
集合预报方法研究进展
金荣花
(国家气象中心,北京100081)
构相继投入业务使用,使中期(3~10天)和延伸时期(10~30天)天气预报技巧得到令人瞩目
的改善。本文简要介绍有关集合预报问题的研究成果及其发展趋势,将有助于集合预报业务的
广泛开展和使用。
2 集合预报概念与发展历程
集合预报技术在暴雨灾害风险分析中的应用
集合预报技术在暴雨灾害风险分析中的应用邓国;陈怀亮;周玉淑【期刊名称】《自然灾害学报》【年(卷),期】2006(15)1【摘要】暴雨是我国夏季多发的一种灾害性天气,每年都造成了不同程度的财产损失和人员伤亡。
暴雨预报不仅是气象和水文预报人员所关心的问题,也是广大人民群众和各级领导十分关心的问题。
许多重大的政治经济活动事先都必须考虑气象预报的结果,以便做出合理的决策。
因此,暴雨等灾害性天气预报不仅仅是一个自然科学问题,也是一个社会科学问题。
集合预报技术作为一种新兴的数值天气预报技术,针对数值预报的误差来源,采用合理的扰动原理和扰动方法,构造能沿着模式大气相空间最不稳定的方向快速增长的扰动场与集合预报成员,不仅大大提高了人们对暴雨等灾害性、转折性、突发性、局地性天气过程的认识和预报能力,更进一步将自然科学和社会科学紧密联系,使自然科学更好地解决社会生产生活问题,为各级领导和群众合理安排生产生活活动、抗御暴雨等灾害提供了有力的技术保障。
【总页数】8页(P115-122)【关键词】集合预报;暴雨;风险分析【作者】邓国;陈怀亮;周玉淑【作者单位】国家气象中心;河南省气象科学研究所;中国科学院大气物理研究所【正文语种】中文【中图分类】P456【相关文献】1.风暴尺度集合预报中的混合初始扰动方法及其在北京2012年“7.21”暴雨预报中的应用 [J], 庄潇然;闵锦忠;王世璋;周凯;蔡沅辰2.集合预报方法在山西暴雨预报中的应用试验 [J], 闫慧;赵桂香;董春卿;王洪霞;李娟3.集合预报方法在暴雨研究和预报中的应用 [J], 杜钧;李俊4.ECMWF集合预报产品在河南省暴雨预报中的应用 [J], 张霞;梁钰;史一丛;乔春贵5.集合预报产品在江苏省暴雨预报中的应用评估 [J], 陈圣劼; 刘梅; 张涵斌; 俞剑蔚; 陈超辉因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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天气事件发生概率:集合预报可方便地确定某一天 气现象发生的概率。
对极端事件的预报能力:增加了对极端事件的预报 能力。
全球500hPa距平相关系数:ECMWF集合预报平均(绿)、业务模式 TL 511(红)、控制预报TL 255(蓝)和UK碧 中国气象局成都高原气象研究所
本PPT素材主要源自俞小鼎、陈静、邓国、 田华等人的工作
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
1 集合预报的基本概念
5 DAY FORECAST
ECMWF模式 : 2009年5月11日20点预报5月16日20点500hpa高度场
Spatial graphs: Mean and spread
单点图形
特征路径 (如:台风)
邮票图
同时展示针对给定的变量和预报时效的,所 有集合成员的预报结果。
优点:所有成员结果都可看到。 缺点:太多的信息。
Spatial graphs: Postage stamps
分类图
把预报分类。相似预报归为一组。(根据场 的相关或均方根差等)
用来了解预报的变化情况,不是用来挑选最 好的方案。
(2) 滞后平均法(LAF) :把过去相隔一定时间的一系列模 式格点分析场作为集合预报的系列初始场,由此得到集 合预报。 (3) 增长模培育法(BGM) :是Toth 和Kalnay 提出的一种 方法。选择模式6 h 预报场与同一时刻的分析场之偏差 作为初始扰动。 (4) 奇异向量法(SVs) :基本原理是利用非线性动力学理 论中的有限时间不稳定理论和数值天气预报中同化技术 即切线性和伴随模式,求取切线性模式的奇异值和奇异 向量,最大奇异值对应的奇异向量就是增长得最快的扰 动。
物理过程扰动产生方法
在物理过程参数化中加入随机扰动项 同一物理过程使用不同的参数化方案
集合预报系统结构图
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
3 集合预报可用性的基础
大的集合预报离散度与低的控制预报 技巧相对应;
小的集合预报离散度与高的控制预报 技巧相对应;
集合预报定义:用适当的方法,构造一“族”不同初值的、不同模式 的预报样本,在同一时效做出多个预报“结果”,这一预报“集”就 称为集合数值天气预报,简称“集合预报”,Ensemble Prediction,
多中心集合预报
(日本、英国、欧洲中心)
逐年预报准确率变化曲线
2天预报
4天预报
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
优点:
简洁。 关注重要预报变量的重点阈值。
缺点:
只能预报概率分布的一部分。 可能会掩盖也许会发生的小概率事件。
集合平均和离散图
很简洁,但是有可能滤掉了有用的信息。
集合平均给出所有预报成员的平均。 (平均 已经平滑掉了小的不可预报的特征,保留相 对可预报的大尺度特征。
集合离散: 对不确定性的估计 不同变量,离散度不同。
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
4 集合预报主要产品
集合预报:
如何概括和抽取最有效的信息?
提取信息,同时意味着我们会失去一些信息 (有可能是很重要的信息)
针对不同问题和需求,我们需要设计 不同的集合预报产品。
主要的图形类型:
空间图形 (固定时间):邮票图,分类图,概率图,平 均离散图,面条图等
a)5天预报(结束时间1995年11月15日);b)3天预报 (结束时间1995年10月21日)。等高线:5640米。
相空间中的概率密度函数 - 严格求解不可能,集合预报技 术成为一个变通办法
相 空 间 演中 变集 示合 意预 图报 各 成 员
集合预报的两个特征量:均值和离差
集合预报的意义
平均值:集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它 集合预报成员的预报技巧。一周以后,均值的预报技巧 甚至超过确定性的业务预报模式的技巧。
集合数值预报基本概念
何谓集合数值天气预报?
传统的数值天气预报每个时效只给出一个预报,认为数值 天气预报是“确定的”;集合数值预报每个时效给出两个 以上的预报,认为数值天气预报是“不确定性的”。
为什么存在“不确定性”?
原因:气象模式(经简化)、气象资料(观测方法局限性) 存在误差、大气系统本身(复杂非线性);这些因素的共 同影响,就使得数值预报不仅仅存在一种可能(即非确定 的),而且存在着多种可能,是依赖于初始误差密度函数 的、依赖于模式不确定性的概率数值预报。
给出不同预报类型发生的可能性。
500 hPa 高度场 轨迹分类图(57天): 属于第一 类的成员数为15, 第二类为9,第 三类为9。
超过某个阈值的概率图
对极端事件非常有用。
概率计算:超过某个给定阈值的成员数,比上 成员总数。
prob nthreshold Ntotal
Spatial graphs: Probabilities
(1) 随机扰动法(MCF) :最简单方法是Monte Carlo 随 机扰动法,有不同方式的随机扰动,如将随机值加到格 点场、谱系数或经验正交函数中。缺点是与动力模式 不相协调,从随机扰动产生的初始场要演变成动力不 稳定结构差异较大的大尺度环流,需要较长的时间。 这导致集合成员间的分离度很小,目前较少使用该方 法。
2 扰动产生方法
初始扰动产生方法
随机方法 时间滞后方法 增长模培育法(NCEP方法) 奇异向量方法(ECMWF方法)
初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量。 初始场扰动方法的基本原则是: (1)扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布 较一致,以保证每个初始场都可能代表大气实际 状态。 (2) 每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能 大地发散,以保证预报集合最大可能地包含实际 大气可能状况。