基于TIGGE多模式降水量预报的统计降尺度研究

利用TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心、美国国家环境预报中心、英国气象局以及日本气象厅4个中心,1~7 d预报时效的降水量预报资料,以TRMM/3B42RT降水量作为"观测值",对东亚地区降水量进行统计降尺度处理。首先利用逻辑回归方法将天气分为有雨和无雨,再对有雨的情况,利用线性回归方法对插值后的预报结果进行降尺度订正,最后将4个中心的预报值进行消除偏差集合平均,得到多模式集成的降水量预报场。结果表明:逻辑回归能够有效地改善预报中小雨的空报情况,统计降尺度订正后的预报结果比直接插值更加准确,多模式集成的预报效果优于单模式结果,其改进效果随预报时效的延长逐渐减小。     

基于TIGGE资料的北半球地面气温预报的统计降尺度研究

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble,全球交互式大集合)资料中欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather,ECMWF)、日本气象厅(Japan Meteorological Agency,JMA)、美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和英国气象局(United Kingdom Met Office,UKMO)4个中心的北半球地面2 m气温集合平均预报资料,利用插值技术与回归分析,并引入了消除偏差集合平均(bias-removed ensemble mean,BREM)和多模式超级集合(superensemble,SUP)方法进行统计降尺度预报研究。结果表明,在2007年夏季3个月中,4个单中心的降尺度预报明显地改善了预报效果。引入SUP和BREM两种集成预报方法后,预报误差得到进一步减小。对比综合表现最好的单中心ECMWF的预报,1~7 d的降尺度预报误差改进率均达20%以上。研究还发现,引入SUP方法的降尺度预报效果优于引入BREM方法的降尺度预报,利用双线性插值方法在上述两方案中的预报效果优于其他3种插值方法。     

我国地面降水的分级回归统计降尺度预报研究

利用TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心(ECMWF,the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)、日本气象厅(JMA,the Japan Meteorological Agency)、美国国家环境预报中心(NCEP,the National Centers for Environmental Prediction)以及英国气象局(UKMO,the UK Met Office)4个中心1~7 d预报的日降水量集合预报资料,并以中国降水融合产品作为"观测值",对我国地面降水量预报进行统计降尺度处理。采用空间滑动窗口增加中雨和大雨雨量样本,建立分级雨量的回归方程,并与未分级雨量的统计降尺度预报进行对比。结果表明,对于不同模式、不同预报时效以及不同降水量级,统计降尺度的预报技巧改进程度不尽相同。统计降尺度的预报技巧依赖于模式本身的预报效果。相比雨量未分级回归,雨量分级回归的统计降尺度预报与观测值的距平相关系数更高,均方根误差更小,不同量级降水的ETS评分明显提高。对雨量分级回归统计降尺度预报结果进行二次订正,可大大减少小雨的空报。     

厦门地区地面气温的多模式集成统计降尺度预报研究

利用双线性插值与线性回归方法、消除偏差集合平均(bias-removed ensemble mean,BREM)和多模式超级集合预报(Super-ensemble Prediction,SUP)方法对厦门地区的地面气温进行统计降尺度分析,结果表明:在2013年夏季的3个月中,降尺度后三个单模式对厦门地面气温的预报效果显著改善。使用多模式集成预报方法(BREM和SUP)后,预报误差进一步减小。对比整体预报效果最好的单模式ECMWF,降尺度后3~96h预报误差均在3℃以下。此外,结合SUP方法的降尺度预报能最大程度的改善地面气温的预报误差。     

基于集合成员订正的强降水多模式集成预报

基于TIGGE资料集下欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、日本气象厅（JMA）、英国气象局（UKMO）、美国国家环境预报中心（NCEP）和中国气象局（CMA）5个气象预报中心2016年5月1日—8月31日中国地区逐日起报预报时效为24~168 h的24 h累积降水量集合预报的结果,对各个集合预报成员进行了频率匹配法的订正,并对订正前后的多模式集成预报效果进行评估。结果表明:采用频率匹配法订正后的降水预报,有效改善了集合平均预报中强降水（日降水量25 mm以上）预报由平滑作用产生的量级偏小现象,使预报的降水量级更接近实况,但对降水落区预报改进不明显。基于卡尔曼滤波技术的集成预报效果优于基于线性回归的超级集合预报和消除偏差集合平均预报,对强降水落区的预报较单模式更优。基于集合成员订正的降水多模式集成预报在强降水的落区预报和降水中心的量级预报更接近实况,效果优于原始多模式集成预报与单模式结果。     

江苏—南黄海地区M≥6强震有序网络结构及其预测研究

基于TIGGE（THORPEX Interactive Grand Global Ensemble,全球交互式大集合）资料中欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather,ECMWF）、日本气象厅（Japan Meteorological Agency,JMA）、美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction,NCEP）和英国气象局（United Kingdom Met Office,UKMO）4个中心的北半球地面2m气温集合平均预报资料,利用插值技术与回归分析,并引入了消除偏差集合平均（bias-removed ensemble mean,BREM）和多模式超级集合（superensemble,SUP）方法进行统计降尺度预报研究.结果表明,在2007年夏季3个月中,4个单中心的降尺度预报明显地改善了预报效果.引入SUP和BREM两种集成预报方法后,预报误差得到进一步减小.对比综合表现最好的单中心ECMWF的预报,1～7d的降尺度预报误差改进率均达20％以上.研究还发现,引入SUP方法的降尺度预报效果优于引入BREM方法的降尺度预报,利用双线性插值方法在上述两方案中的预报效果优于其他3种插值方法.     

中国东南地区降水的两种集合预报综合偏差订正对比分析

利用2015年6月1日—7月31日三个全球数值预报业务中心(CMA、ECMWF和NCEP)的24 h降水集合预报资料和我国东南地区降水观测资料,采用贝叶斯模型平均方法(A方案)和基于A方案的统计降尺度模型二次订正方法(B方案)对上述三个中心和多模式超级集合降水预报进行订正,并对比两种方案的订正效果;然后,选取2015年8月1—31日降水预报进行独立样本检验,分析订正前后的降水预报效果。结果表明:以第50百分位的降水预报为例,经A方案订正后各中心和多模式的集合平均消除了大量的小雨空报,其对小雨、中雨的订正效果很明显,对大雨以上的降水量级订正效果不明显。随着降水阈值增加,A方案的订正效果随之减弱。此方案对雨带走向的订正不明显,会使降水大值区量级降低甚至消失。采用B方案订正后,不仅可降低原始集合预报的空报率,还可对降水量级和落区进行订正,使降水预报的范围和量级与实况更接近,但对大量级降水,如50.0 mm以上的降水量级订正效果仍然不显著。     

统计降尺度方法在天津小时降水和气温精细化预报中的应用

基于ECWMF模式预报数据对2018年3—11月降水和2 m温度进行统计降尺度,利用先频率匹配法、再阈值法对插值后的降水订正,利用Kalman滤波型的递减平均统计降尺度法对插值后的温度订正,最终获得逐小时降水量和温度的预报。结果表明:(1)对于晴雨预报准确率,绝大多数预报时效频率匹配法和阈值法均对其有明显提高,前者最大改进幅度可达20%以上。对于相对误差,阈值法对空报现象有较显著改进。对于1 h降雨量大于等于20 mm的短时强降水,频率匹配法订正后的TS评分有明显提高。对2018年"安比"台风事件,除具有以上改进效果外,频率匹配法提高了降水主体形态和量级的预报水平,阈值法对空报站订正正确。(2)对于温度的ECWMF模式预报检验,几乎在任何预报时效内都是3月的绝对误差最大。通过Kalman滤波型的递减平均统计降尺度法后,各月的绝对误差都有不同程度减小。总体上,订正后的绝对误差曲线仍具有订正前的周期性波动,波峰、波谷位置也与订正前基本一致,且绝对误差越大,订正幅度越大。个例分析也表明订正后保留了温度预报空间分布的准确性,且绝对误差有明显下降。     

地面气温的概率预报试验

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,对中国气象局(CMA)集合数值预报产品进行温度概率预报试验。分别应用降尺度技术、系统偏差订正及降尺度与系统偏差订正相结合的方法对2008年1月的气温进行试验。结果表明,通过Brier评分和ROC分析的检验,在24～240 h预报中,都得到了明显改进,在进行降尺度和系统偏差订正相结合的方法下,预报技巧的改进更加明显,优于单个方法独自使用的效果。RPS评分检验则表明:在168 h内,两种改进方案相结合的概率预报效果明显优于单一改进方法的使用;168 h后,预报效果逐渐下降不如系统偏差订正的效果,但优于降尺度技术的改进。总体而言,3种方法对地面气温的概率预报都有正的技巧预报,对预报时效较短(7天前)温度概率预报技巧高于预报时效较长的(7天后)。     

降水的统计降尺度预报及其空间相关性和时间连续性重建

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)以及英国气象局(UKMO)四个中心1~7 d日累计降水量集合预报资料,以中国降水融合产品作为"观测值",对我国地面降水量进行统计降尺度预报,并对预报降水的空间相关性和时间连续性进行重建。对降水量进行分级后,建立各个量级的回归方程进行统计降尺度预报。此外,还利用Schaake Shuffle方法重建丢失的空间相关性和时间连续性。结果表明,分级回归比未分级回归后的预报结果相关系数更高,预报误差更小,更接近观测值。Schaake Shuffle方法可以有效地改进降水预报的空间相关性和时间连续性,使之更接近实况观测,集合成员间的相关性也更好。     

百分位统计降尺度方法及在GCMs日降水订正中的应用

在格点观测的逐日降水量数据基础上,采用百分位统计降尺度方法对全球气候模式(GCM)输出的日降水量进行了订正处理。5种订正方案的比较结果表明,取12个百分位数进行日降水量订正是合理的。观测资料与3个GCMs订正前后全国平均年、季降水量空间分布以及主要流域平均年、月和日降水序列多年平均、变化趋势及概率密度的对比分析表明:(1)统计降尺度处理可在一定程度上降低GCMs模拟的降水量偏差,特别是中国中部、长江以南和东北部分地区,对德国马普研究所的海气耦合模式(MPI/ECHAM5)模拟的降水量订正效果最显著;(2)GCMs统计降尺度处理的降水量季节分布特征与观测更为接近,所有流域MPI/ECHAM5订正的降水量优于或接近直接输出结果;(3)与GCM直接输出的降水相比,部分流域经统计降尺度处理后降水量变化趋势与观测的一致性有所增加,但不明显;(4)当日降水量<30mm时,订正的降水量与观测的偏差明显减小;当日降水量>30mm时,部分流域由负偏差转为正偏差。由于GCMs结构和降尺度方法的局限性,在用于具体流域未来气候变化预估及气候变化影响评估时,应选择尽可能多的、模拟能力强的GCMs数据,以包含尽可能多的模拟气候情景。     

基于快速更新同化数值预报的小时降水量时间滞后集合订正技术

由中小尺度对流系统造成短时强降水天气的发生发展十分迅速,对其落区和时效的预报预警一直都是预报业务中的难点。本文基于快速更新同化的中尺度数值预报系统GRAPES-RAFS 0. 1°×0. 1°分辨率逐小时降水预报,首先通过时间滞后集合预报方法构建了多个集合成员,使用平均TS评分值计算相应预报成员权重系数建立预报方程,然后采用频率匹配订正法进行降水量级订正,从而得到集合订正的逐小时降水量预报。2017年8-9月的逐日试验和典型个例预报结果评估表明效果良好。(1)GRAPES-RAFS最新时次的预报场并不完全代表最好的预报效果,通过时间滞后集合订正方法自动识别优选预报成员,显著提高了预报能力;(2)GRAPES-RAFS预报存在降水量级偏弱的系统性误差,经过频率匹配方法订正后,在量级预报上更接近实况;(3)时间滞后集合预报对我国中东部(包括黄淮、江淮、江南地区)的小时降水量订正效果最好;(4)进一步使用的频率匹配订正方法显著提升了逐时降水量的预报效果,其在降水频率更高、强度更大的江南南部、华南、西南地区效果更为显著;(5)对于中小尺度的强降水过程,经过上述方法订正后,显著提高了模式对强降水系统位置、形态及降水量级的预报水平。     

贵州省本地化温度客观订正算法探究

利用2019年4月1日—7月31日的0～240 h欧洲中期天气预报中心2 m温度预报和2019年4月1日00时—7月31日00时贵州省境内364个自动气象观测骨干站点的温度观测资料,分别基于时间持续偏差订正(滑动平均)和类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建单模式的温度订正方案和客观算法模型,进而对欧洲中心2019年7月1日—7月15日的2 m温度预报进行客观订正。结果表明:时间持续偏差法构建的方案对订正效果不好,平均绝对误差值(MAE)均比原始数值预报大。相比之下,采用类卡尔曼滤波的递减平均统计降尺度方法构建订正方案对部分站点的预报有着非常显著的订正效果,平均绝对误差值在大多数时效上比数值预报本身小,且经过参数优化方案之后,又进一步提升了订正效果。订正模型的训练方案仍然有很大的改进空间,有望提高有效订正站点的数量。     

基于TIGGE资料的地面气温多模式超级集合预报

基于TIGGE资料, 采用均方根误差分别对欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、美国国家环境预报中心和英国气象局4个中心集合预报的地面气温场集合平均结果进行检验评估, 比较各中心地面气温的预报效果。并利用超级集合、多模式集合平均和消除偏差集合平均3种方法对4个中心的地面气温预报进行集成, 同时对预报结果进行分析。结果表明: 2007年夏季日本气象厅与欧洲中期天气预报中心在北半球大部分地区预报效果最好, 各中心在不同地区预报效果不同。超级集合与消除偏差集合平均降低了预报误差, 预报效果优于最好的单个中心预报和多模式集合平均。对于较长的预报时效, 消除偏差集合平均表现出了更好的预报性能。     

基于ECMWF模式的四川夏季强降水订正试验

利用2016—2018年6—8月四川地面观测降水资料(含加密自动站)及同时段ECMWF模式各要素预报场资料,根据基于"配料法"计算所得出的3 h间隔短时强降水概率预报,统计各格点各个转换概率阈值的次数,探索了一种针对模式24 h累计降水预报的强降水订正方法,并运用该方法对2018年6—8月降水集中时段24—72 h时效ECMWF模式降水预报进行逐日试验检验。试验结果表明:(1)从大雨、暴雨降水量级综合检验指标来看,各时效订正后命中率、漏报率、TS评分均有明显改善,且随着预报时效的延长,各指标数值提高的幅度愈大。空报率虽然0—24 h、24—48 h时效预报有所增加,但空报率增加幅度远小于漏报率减小幅度;(2)从个例检验结果来看,订正后的模式预报相比订正前的预报而言,降水量级明显增加,50 mm以上降水落区预报效果有较大程度提升,尤其是0—24 h时效预报,订正后降水落区分布与实况基本一致。     

基于集合预报和支持向量机的中期强降雨集成预报试验

本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)集合预报资料和支持向量机(SVM)回归方法建立了多模式集成的动力-统计客观预报模型(SVM-多模式集成预报),继而选用2012年5—9月(共计153 d)发生在淮河流域及其以南地区的大雨和暴雨开展了回报试验,并将所得预报结果与ECMWF的控制预报和集合平均预报进行了多角度比对评估。结果表明:在中期预报时效(4~7 d),SVM-多模式集成预报方法对2012年5—9月大雨和暴雨的预报效果最优,尤其对暴雨预报准确率明显提高,其优势主要体现在对强降雨中心分布范围和强度的预报更接近实况。     

基于TIGGE资料的西太平洋热带气旋多模式集成预报方法比较

基于TIGGE资料中CMA、ECMWF、JMA和NCEP四中心2010、2011和2012年3年的资料,采用集合平均（EMN）、加权集合平均（WEMN）、消除偏差集合平均（BREM）和加权消除偏差集合平均（即超级集合,SUP）四种方法,对西太平洋地区热带气旋路径与中心气压进行时效为24、48、72、96和120 h的多模式集成预报,评估了不同单中心预报结果,并分析了不同多模式集成预报方法的特点,对比了不同多模式集成方法的效果。结果表明,对于热带气旋路径和中心气压预报,各中心预报技巧不同,其中3年的CMA预报效果均较差,2010、2011年的ECMWF预报和2012年的NCEP预报效果最优;总体上几种多模式集成方法在120 h预报时效内均优于单模式预报,其中EMN作为一种最简单的集成预报方法,具有一定的局限性,而WEMN由于给不同单模式预报赋予了权重,因此相对于EMN能够得到更好的多模式集成预报结果;BREM方案由于消除了模式预报中的系统性偏差,因此集成预报效果也优于EMN;由于去除了模式预报偏差,同时给不同模式赋予了权重,SUP方案得到的集成预报效果最优。     

基于多模式的新疆最高(低)气温预报误差订正及集成方法研究

干旱区由于气温日较差大,气温预报难度偏大,尤其是最高、最低气温预报。利用2013—2015年ECMWF、T639、DOGRAFS、GRAPES 4种模式24 h内气温预报产品,采用递减平均订正法以及集合平均和加权集合平均法,设计2种订正集成方案,即方案1是对多模式气温预报先集成后订正,方案2是先订正后集成,对新疆地区日最高气温和最低气温预报的误差订正及集成效果进行对比检验。结果表明:(1)4种模式对新疆气温预报的准确率表现为ECMWF模式整体最好,DOGRAFS模式最差,且最低气温的预报准确率提高程度高于最高气温;(2)对于新疆不同区域,最高(低)气温预报准确率北疆高于南疆,西部高于东部,平原高于山区,且冬季的订正能力大于其他季节;(3)加权集合平均法优于集合平均法,先订正后集合方案优于先集合后订正方案;(4)方案2对2015年7月13—30日和2014年4月22—24日两次极端高、低温天气过程的最高(低)气温订正效果明显。     

基于TIGGE资料的地面气温和降水的多模式集成预报

利用TIGGE资料集下中国气象局(CMA)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)和英国气象局(UKMO)5个中心集合预报结果,对多模式集成预报方法进行讨论。结果表明,多模式集成方法的预报效果优于单个中心的预报,但对于不同预报要素多模式集成方法的适用性存在差异。滑动训练期超级集合(R-SUP)对北半球地面气温的改进效果最优,但此方法对降水场的改进效果并不理想。在北半球中低纬24 h累积降水的回报试验中,消除偏差(BREM)的结果优于单个中心的预报,且此方法预报结果稳定。进一步利用滑动训练期消除偏差(R-BREM)集合平均对2008年1月中国南方极端雨雪冰冻过程进行多模式集成预报试验,结果表明,在固定误差范围内,R-BREM将中国南方大部分地区的地面气温预报时效由最优数值预报中心的96 h延长至192 h,且除个别时效外,小雨、中雨的TS评分得到明显提高。     

集合模式定量降水预报的统计后处理技术研究综述

集合数值模式预报已在定量降水预报业务中广泛应用,以获得预报不确定性、最可能预报结果以及极端天气预警。由于集合系统的数值模式不完善,且不能提供所有的不确定性信息,常表现出系统性偏差以及欠离散或过离散（如对于多模式集合）。为此,需要发展统计后处理技术,在尽量保持集合预报解析度的条件下,提高预报的技巧和可靠性。近年来,各种集合预报统计后处理技术得到快速发展。针对定量降水预报,依据技术方法的途径和成熟度将后处理研究归纳为3方面进行总结,包括:（1）不基于统计模型的非参数化后处理,包括集合定量降水预报偏差订正、多成员或模式信息集成以及基于空间分析的对流尺度模式后处理;（2）基于概率分布统计模型的参数化后处理,包括集合模式输出统计和贝叶斯模型平均两种方法框架;（3）考虑预报量的时间、空间和多变量间依赖关系或结构的处理方法,包括参数化和经验连接概率法。最后,讨论发展统计后处理技术需要关注的问题,包括考虑不同来源、不同尺度的多模式信息集成;提供高质量、高分辨率的降水分析资料;发展再预报技术扩充训练样本;基于不同的订正目的和应用场景来使用不同的后处理技术;发展面向海量预报数据、捕捉极端降水以及考虑预报量结构的新技术。