临近预报的两种高时空分辨率定量降水预报融合算法的对比试验

长期以来,雷达回波外推技术是0—2 h临近预报系统主要采用的方法,但其实际有效预报时间≤1 h,而中尺度数值模式预报则受平衡约束时间的限制,最初2 h的降水预报无效。为解决上述两种预报的缺陷,目前国际上流行采用外推预报与数值模式预报融合的技术,形成统一的0—6 h格点化的高分辨率无缝隙定量降水临近预报系统。对目前流行的两种融合算法（INCA（Integrated Nowcasting and Comprehensive Analysis System）算法及RAPIDS（Rainstorm Analysis and Prediction Integrated Data-processing System）算法）进行了分析和对比试验,以期为业务应用提供借鉴。RAPIDS算法的核心是用自动气象站雨量融合雷达估测得到的定量降水对模式预报的降水强度和位相进行修正;INCA算法则是用数值模式预报的风场修正外推技术的降水移动矢量。两种方法在0—6 h预报时效内,外推预报的权重均逐渐减小,模式预报的权重逐渐增大,从而实现外推预报和模式预报的平滑过渡。试验结果表明,两种方法对降水雨带和降水强度的预报均优于单一的外推预报或模式预报。集二者的优势研发最优的高时、空分辨率降水预报无缝隙融合算法,将有助于进一步提升高分辨率定量降水0—6 h无缝隙预报水平。      

THE MONTHLY PREDICTION EXPERIMENTS USING A COUPLED ANALOGY-DYNAMICAL MODEL

Considering from point of view of the dynamics,it is convenient to regard the field to be predictedas a small disturbance superposed on the historical analogous field,and thus the statistical technique can beused in combining with the dynamics.Along this line,a coupled atmosphere-earth surface analogy-dynamicalmodel is formulated and applied to making monthly prediction.This approach facilitated the utility of the useful information contained in both the historical data setand the initial field to improve the dynamic model based solo on the latter and show better skill in prediction.     

用非参数估计技术预报风的研究

该文介绍了使用非参数估计技术制作风的预报试验。为了有一个较完整的历史样本集,试验中使用了1981—2003年共23年的逐日资料。在采用的K近邻非参数估计技术中,由于风的特殊性,其不是标量而是矢量,试验中根据天气学原理,设计和试用了一种根据过程相似性从历史样本集中搜索出近邻子集和新的从近邻子集中挑选最佳样本的方法。试验结果显示,所试用的预报方法不仅使得风的预报Ts评分有一定的提高,同时使得3 d降水量的预报Ts评分也有一定的提高,这表明该方法具有一定的实际参考使用价值。     

谱模式中截断方式对月长期天气预报影响的数值研究

以１９９２－０４－０１Ｔ１２（ＧＭＴ）北京国家气象中心的客观分析资料为初始场,通过对比分析ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）模式的月数值预报结果,研究了谱模式在不同截断方式下,水平分辨率及网格结构分地月长期烽值预报的影响。结果表明：虽然以上两模式具有相同的垂直结构,以及相近的高斯网格格点数和计算量,但由于Ｒ１５Ｌ７较Ｔ２１Ｌ７有更为合理的水平分辨率分布,具有由高纬长方形（长轴为南北向）经中纬正方形到低纬长方形     

诊断分析在数值预报产品释用中的探讨

针对地方性天气预报特点，根据现有数值预报产品及实时控空资料的接收情况，作者利用中尺度数值预报模式ＭＭ４引入了中尺度信息，提出了一个实际可行的夏季降水预报方案，以求提高区域范围内具有明显突发性对流降水的预报能力。     

物理耗散技术及其在MM4中的应用

在传统的流体动力学框架下,数值天气预报问题往往被提为经典牛顿力学的确定论初值问题　。然而大气是多体系统,利用仅对三体以下的系统才能精确描述的理论来处理多体系统的运　动,会引起较大的误差和问题。为此,文中提出了一套在数值天气预报模式中引入“不可逆　热力学算子”的技术,按热力学第二定律的约束方式,来控制多体系统的演变方向,以提高　数值天气预报的精度。例如在ＭＭ４模式中引入不可逆热力学算子后,温度场、湿度场、高度　场及全风速场的平均相对均方根误差减小了约１３％,其中４８　ｈ预报的误差减小两成以上。鉴于文中提出的不可逆热力学算子引入技术是基于描述耗散性的物理定律,而非纯粹出于计算　上的考虑,故名为物理耗散技术。由于它所依据的物理原理对所有流体力学和大气数值模式　均适用,因此该项新技术在地球物理流体力学界将有广阔的应用前景。     

诊断分析在数值预报产品释用中的探讨

针对地方性天气预报特点，根据现有数值预报产品及实时探空资料的接收情况，作者利用中尺度数值预报模式ＭＭ４引入中尺度信息，提出一个实际可行的夏季降水预报方案，以求提高区域范围内具有明显突发性对流降水的预报能力。作法是用ＭＭ４模式计算逐日物理量诊断场，加入同期的欧洲中心数值预报产品，共计４１个场作为预报因子场；应用典型相关分析法，并结合逐步判别和逐步回归法，计算得出９个分区和８个单站中雨以上降水预报方程。降水预报方程的因子变量多数为中尺度诊断分析场构成的典型团子，可以认为，ＭＭ４模式计算得出的中尺度信息对预报中雨以上降水是有贡献的。     

新疆短期气候预测研究的回顾

回顾了1958－1997年新疆短期气候预测研究取得的主要成果，包括：大气环流变化及其与新疆天气气候的关系；新疆冬、春季水旱以及北疆前冬冷暖长期天气过程的分析；北半球月平均加热场及其在长期天气预报中的应用；海气相互作用、地形影响、低频振荡过程以及在短期气修预测中的应用；新疆短期气候预测方法的应用研究等。     

短期气候预测的评估问题

该文系统地介绍了国内外评估月、季尺度短期气候预测结果的方法 ,比较了相关系数(R)、预报技巧分 (S)和准确率 (P)的特点 ,并对当前国内外气候预测业务水平进行了分析 ,着重对大气环流、气温、降水及 ENSO的预测水平进行了评估 ,指出国内外月、季尺度的降水预报的水平目前在 55%～ 60 %左右 ,对 ENSO的发生、结束和强度的预报水平有限 .文中探讨了短期气候预测的可预报性问题 ,提出月、季尺度气候预测的可预报性的理论上限可能为 6～ 1 2月 ,准确率在 80 %～ 85%之间 .     

基于EMD 和集合预报技术的气候预测方法

气候系统是典型的非平稳性系统,然而对于气候观测数据的处理通常是在时间序列平稳的假定下完成的,比如气温和降水的多步预报,这通常会导致预报准确度较低。为改进该缺陷,首先将非平稳数据序列分解成平稳的、多尺度特征的本征模态函数分量(IMF),再使用数值集合预报与逐步回归分析相结合的方式对每一个IMF 分量构建不同的预报模型,最后线性拟合成预报结果。通过Visual Studio 2008 开发平台使用上述方法建立了一个短期气候预报系统,采用广西区88 个气象站1957—2005 年的2 月距平气温数据进行实际验证。结果表明,相对于普通预测和单一预测方法,加入了EMD 和集合预报技术的方法在仅用历史资料进行多步预测的情况下,对于气候的变化趋势以及突发性气候具有更好的预报能力。      

Nonstationary time series prediction by incorporating external forces

Almost all climate time series have some degree of nonstationarity due to external forces of the observed system. Therefore, these external forces should be taken into account when reconstructing the climate dy- namics. This paper presents a novel technique in predicting nonstationary time series. The main difference of this new technique from some previous methods is that it incorporates the driving forces in the pre- diction model. To appraise its effectiveness, three prediction experiments were carried out using the data generated from some known classical dynamical models and a climate model with multiple external forces. Experimental results indicate that this technique is able to improve the prediction skill effectively.     

降雨量及叠加预测方法研究

为了得到精确度较高的降雨量预测值及其叠加预测精度,利用小波神经网络和NARX动态神经网络对降雨趋势和降雨量进行预测,并分析降雨量叠加预测值的误差。研究表明,小波神经网络分析的月降雨量多个变化周期以及总的变化趋势较为准确;NARX动态神经网络预测模型测试误差为0.21%,回归效果图的相关系数R为0.99993,回判和检验误差分别只有0.22%和0.40%;降雨量叠加预测和检验误差较小,均未超过2%,能够满足降雨量不断叠加预测的要求。该方法能为边坡动态稳定性预测提供精确度较高的降雨量预测值。     

湿Q矢量释用技术及其在定量降水预报中的应用

新发展了一种湿Q矢量释用技术:利用松弛法迭代求解以非地转干Q矢量散度为强迫项的方程得到垂直运动场ω ₁, 然后由ω ₁计算湿Q矢量散度场, 接着再利用松弛法迭代求解以湿Q矢量散度场为强迫项的ω方程得到垂直运动ω ₂, 最后由ω ₂结合水汽条件进行降水量计算, 得到湿Q矢量释用降水场。结合一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程研究表明, 湿Q矢量释用降水场对同期观测降水场水平分布特征、极端降水强度都具有一定的反映能力, 反映出湿Q矢量释用技术具备实际应用的可行性和一定合理性。将此释用技术应用于华东区域数值预报模式 (基于MM5 V3.6而建立, 以下简称MM5) 产品, 得到湿Q矢量释用定量降水预报 (QPF) 场, 其独立于模式本身输出的QPF场, 但与模式QPF场具有相同的时空分辨率。针对2004年6—8月汛期华东地区一次梅雨锋降水过程和一次登陆台风降水过程, 结合实况雨量资料, 比较分析了湿Q矢量释用QPF场和MM5模式QPF场对实际观测降水场的反映能力, 结果表明, 前者对有无降水、10.0 mm/24 h以上明显降水的反映能力明显优于后者。进一步进行预报统计检验表明, 湿Q矢量释用预报有无降水、小雨及10.0 mm/24 h以上降水的TS评分、正确率都明显高于MM5模式, 而漏报率、空报率则是前者明显低于后者。这也充分反映出湿Q矢量释用技术应用于QPF研究的有效性。最后, 探讨了数值预报产品释用技术对数值预报模式性能的依赖性, 并指出未来对湿Q矢量释用技术进一步改进的方向及其广泛应用前景。     

近年来我国短期气候预测中动力相似预测方法研究与应用进展

鉴于当前短期气候预测中,纯粹使用动力学方法尚不能完全满足气候预测业务的需要,因此有必要在策略上采取动力和统计相结合的办法.在具体实现手段上,简要介绍了从历史资料中提炼预测信息,发展了一种基于历史相似误差订正的相似—动力短期气候预测新方法.分别在月、季节以及ENSO等短期气候预测领域相继开展了试验和应用,取得了—些令人鼓舞的初步结果,为下一步深入开展有关短期气候预测科学的研究提供了些许借鉴.     

城市酸雨预报方法及业务系统

应用欧拉酸沉降数值模式、基于主分量的神经网络预报方法、动态统计预报方法,建立了广西城市酸雨预报模型,进而根据酸雨预报业务流程,将预报方法、Sybase数据库和网页技术等有机地结合起来,研制了广西城市酸雨预报业务系统。一年多的业务应用表明,该酸雨预报系统性能稳定、技术成熟、自动化程度高。     

从数值预报研究进展论天气预报业务发展方向

综述了国外数值预报研究现状及对２１世纪发展的设想，存在的技术，设备等问题。简述了我国数值产品在天气预报业务中应用的进展，提出了省级预报业务建设的主攻方向和发展建议。     

在台风业务系统中使用卫星云导风资料的试验

在国家气象中心台隐数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行两项预报试验。第一项是把卫星云导风资料作为观测资料进行最优插值客观分析;第二项是将云导风资料加入到轴对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场。试验结果表明：卫星云导风资料作为观测资料进入模式后对减小台风路径预报误差效果明显;用云导风形成人造台风模型非对称风场可进一步提高台风路径预报精度。     

Application of ATOVS Microwave Radiance Assimilation to Rainfall Prediction in Summer 2004

Experiments are performed in this paper to understand the influence of satellite radiance data on the initial field of a numerical prediction system and rainfall prediction. First, Advanced Microwave Sounder Unit A （AMSU-A） and Unit B （AMSU-B） radiance data are directly used by three-dimensional variational data assimilation to improve the background field of the numerical model. Then, the detailed effect of the radiance data on the background field is analyzed. Secondly, the background field, which is formed by application of Advanced Television and Infrared Observation Satellite Operational Vertical Sounder （ATOVS） microwave radiance assimilation, is employed to simulate some heavy rainfall cases. The experiment results show that the assimilation of AMSU-A （B） microwave radiance data has a certain impact on the geopotential height, temperature, relative humidity and flow fields. And the impacts on the background field are mostly similar in the different months in summer. The heavy rainfall experiments reveal that the application of AMSU-A （B） microwave radiance data can improve the rainfall prediction significantly. In particular, the AMSU-A radiance data can significantly enhance the prediction of rainfall above 10 mm within 48 h, and the AMSU-B radiance data can improve the prediction of rainfall above 50 mm within 24 h. The present study confirms that the direct assimilation of satellite radiance data is an effective way to improve the prediction of heavy rainfall in the summer in China.     

GRAPES区域集合预报尺度混合初始扰动构造的新方案

集合预报初始扰动能否准确反映预报误差的结构特征是决定区域集合预报质量的关键因素之一。本文针对GRAPES区域数值预报模式,发展设计了一种基于资料同化思想的混合尺度初始扰动构造新方案。该方案以全球大尺度信息为背景场,区域模式预报作为观测资料,借助GRAPES三维变分同化系统,将高质量的全球大尺度信息与区域模式预报中质量较高的中小尺度信息有效融合,构造混合尺度区域集合预报初始扰动,并通过个例试验和批量试验,比较分析了新方案和原区域集合预报的性能。试验结果表明,基于资料同化构造的初始扰动能够有效融合全球大尺度信息和中小尺度天气系统的信息,其降水概率预报更具参考价值。总体上看,区域集合预报混合初始扰动新方案能够较好地改进区域集合预报质量,尤其是对高度场和温度场效果更为显著,但对风场的集合预报性能影响略小。     

投影寻踪回归技术在降水量预测中的应用

提出了应用投影寻踪回归（ＰＰＲ）技术预测降水量的建模思想及其ＳＭＡＲＴ算法的实现。三个地区应用ＰＰＲ进行降水量预测建模,模型的拟合及预留预测检验结果均好于逐步回归建模的相应结果。