气象预报的方法与不确定性

根据历史上有关气象的文字记载,结合大气科学发展的历史和现状,以深入浅出的方式回顾了气象预报制作方法的变更与发展.概述了当前业务预报的水平和相关研究的主要进展.针对数值预报,讨论了导致气象预报结果不确定性的主要原因.并通过介绍集合预报,对公众应当如何理解和使用预报产品提出了看法.     

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

基于大气系统的非线性和复杂性,加上初值和模式等本身无法避免的一些不确定性,天气预报从单一值的确定论向多值的概率论转变不但符合气象科学的实际也是更好地服务社会之必需。但是这种转变的理性思考对很多用户,甚至气象工作者自己都不是很清楚。为了帮助人们理解和加速这一转变,本文就这种转变所面临的一些普遍困惑谈一些想法。集合预报是促成这种转变的中心技术,为什么要做集合预报?集合预报的根本目的是什么?人们对集合预报有哪些误解?集合预报对整个数值预报系统将带来什么样的变革?以及预报员的新使命是什么?作者针对这些问题进行了讨论。     

基于最新全球集合预报系统的可预报性评估

为了提供有价值且可靠的概率(或者不确定性)预报,最新的全球集合预报系统已在美国国家环境预报中心日常业务运行,以满足社会需求。通过对各个关键要素的概率预报统计检验,可为广大用户提供这些概率预报的信心指数。但是预报(或集合预报)能力不仅取决于我们使用的预测要素,而且与时间和空间分辨率,极端事件或者高影响天气,以及预报时效有关。以大尺度天气系统预报为例,通常选择北半球500 hPa位势高度距平相关指数或概率指数表征模式的预报能力。如参照北半球500 hPa位势高度的距平相关指数(60%AC)或概率预报技巧指数(25%CRPSS),美国全球集合预报系统能够提供大约10 d的技巧预报。从全球集合预报系统输出的各预报要素,满足不同时空尺度需求的角度进行讨论,其可预报性(或预报极限)能够为模式研发人员、一线预报员和用户提供参考。尤其是对大气可预报性的深入研究,对于从科学与技术角度全面提升数值预报系统水平非常重要。当能够确定可预报性(或是预报误差)的真实来源时,科学家(包括模式研发人员)就能够有针对性地修改与完善。将传统的可预报性研究与改进的能够更客观地表述预报不确定性的集合预报相结合,所得可预报性将提供另一种有价值的参考。可预报性研究总体表明,全球集合预报系统对行星波、大尺度和天气尺度的系统(或者过程)可能分别具备约15、12、10 d的预报能力。对于热带天气过程的预报,如果进一步改善模式偏差和物理参数化过程,其MJO(Madden-Julian Oscillation)预报技巧可以延长至32.5 d。     

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

基于大气系统的非线性和复杂性,加上初值和模式等本身无法避免的一些不确定性,天气预报从单一值的确定论向多值的概率论转变不但符合气象科学的实际也是更好地服务社会之必需。但是这种转变的理性思考对很多用户、甚至气象工作者自己都不是很清楚。为了帮助人们理解和加速这一转变,本文就这种转变所面临的一些普遍困惑谈一些想法。作为促成这一转变的中心技术集合预报——有关的问题已经在本文的姐妹篇中作了讨论。在本文中将主要讨论另外几个问题,即如何衡量一个概率预报的好坏?如何应用概率信息来作决策?以及为什么概率预报比单一值决定论预报更有经济价值?为了易懂,本文用浅显的说理结合举例的方式进行阐述,以便读者特别是广大预报员和用户能在实际中运用。     

亚高斯贝叶斯预报处理器及其初步试验

为用户提供概率天气预报信息是公共气象服务的发展趋势,概率天气预报技术的不断改进实现了概率天气预报信息的不断优化。在众多概率天气预报技术方法中,贝叶斯预报处理器是一种新近出现的、基于贝叶斯统计理论的概率预报技术;贝叶斯预报处理器可以根据一个确定性预报系统的预报值与观测值之间代表着这个系统预报性能的统计关系,借助于贝叶斯统计理论,把一个确定性预报转化为一个概率预报,从而实现对预报不确定性的定量化。由于亚高斯似然模型可以适用于多种单调似然比随机依赖结构,故采用该似然模型的亚高斯贝叶斯预报处理器,它在气象、水文等领域具有较强的适用性。在简要介绍了连续型二维随机变量情形下的贝叶斯定理及正态-线性贝叶斯预报处理器之后,详细论述了采用单一预报因子的连续型预报量亚高斯贝叶斯预报处理器,并以长沙站和武汉站2008年1月每日00时(世界时)地面气温(T2m)的中国国家气象中心、欧洲中期天气预报中心、美国国家环境预测中心集合预报中的控制预报资料(预报时效选为96h)作为确定性预报样本,对亚高斯贝叶斯预报处理器进行了初步试验。结果表明,亚高斯贝叶斯预报处理器可以将T2m各集合预报中的控制预报转化为能定量地表达各控制预报不确定性的T2...     

对一次局地短时强降水过程的集合预报研究

以上海区域降水集合预报系统为基础,对2007年6月23~24日发生在上海地区的一次短时强降水过程进行了集合预报研究。结果表明:该集合预报系统总体上对这次强降水过程作出了较好的预报,但对强降水发生的时间、地点的预报还有误差,集合预报提供的概率预报结果比集合平均预报结果更具有参考价值。模式物理过程、初值和侧边界的不确定性对降水预报结果的影响是不同的。对降水结果,模式对流参数化方案的影响非常大,并贯穿于整个积分过程;边界层参数化方案的影响较小;侧边界不确定性的影响在初始阶段较小,随后逐渐增大,积分一定时间后,其影响与对流参数化方案的影响相当;初值不确定性在初始阶段有一定的影响,随后逐渐减小。同时考虑3种不确定性的集合预报效果总体上好于没有考虑侧边界不确定性的集合预报效果,考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报效果总体上比考虑3种不确定性的集合预报效果更好。对于考虑模式物理过程和侧边界不确定性的集合预报,改进初值能有效地改进对有无降水的预报,但对强度稍大一些的降水预报没有改进。     

青藏高原东侧"2003.8.28"暴雨的集合预报试验

利用MM5模式和国家气象中心的T213模式的预报资料,通过研究非绝热物理过程参数化方案对高原东侧"2003.8.28"暴雨数值预报的影响特征,进行了多物理模式集合预报试验,为开展青藏高原东侧集合预报扰动技术研究进行了试验.试验结果表明,模式物理参数化方案对中尺度降水预报结果有明显影响,包括局地降水强度、空间分布型态、时间演变特征等.随着模式分辨率的提高,积云对流参数化方案将增加小雨量级降水区域,产生一些虚假降水,就现阶段模式水平而言,高分辨率集合预报应重点发展考虑强降水预报不确定性的集合预报模式系统.多物理模式集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可以改进单一确定性预报结果不稳定的缺点,为强降水灾害性天气预报提供有价值的预报信息.     

基于贝叶斯理论的单站地面气温的概率预报研究

基于贝叶斯理论,建立了将确定性预报向概率预报转换的基本模式,并利用TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心(ECMWF)地面气温预报资料及地面气温观测资料,对概率化后的预报进行了评估与释用。结果表明,概率化后的预报结果不但能提供丰富的预报产品,而且所提供的预报均值优于原始的确定性预报。应用贝叶斯模式平均法(BMA)将中国气象局(CMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)和ECMWF 3个模式的预报结果进行多模式集成,得到了更为合理的概率分布,其中分布的均值可作为模式的预报结果,方差和置信区间反映了预报量的可变范围。因此,基于贝叶斯预报模式的概率预报相对于确定性预报,不但能够提供更高精度的预报,而且能提供更全面的预报信息。BMA集成预报结果不但优于集合平均预报,而且还能定量描述预报的不确定性。利用ECMWF预报中心51个预报成员进行集成贝叶斯概率预报试验,发现BMA预报融合了各成员对预报不确定性的描述,还对概率预报的均值进行了调整,使之与观测值更为接近。BMA预报的概率密度分布更能反映大气的真实分布情况。     

数值预报发展的新方向——集合数值预报

数值预报走过了百年的历史(V.Bjerknes,1904)[1],取得了了不起的成就,预报准确率有了很大的提高。但是,考虑到大气的非线性作用以及初值和模式造成的数值预报不确定性,要提高传统的单一确定性预报的技巧越来越难。基于大气初值的敏感性试验,Lorenz提出了数值预报发展的新方向——集合数值预报。通过介绍集合数值预报的基本思想和方法;并针对初值和模式的不确定性,概述现有集合数值预报成员的产生方法及国内外的研究进展;同时解释怎样检验集合预报的结果的论述,如何从众多的集合预报产品中提炼有用的信息及预报产品的释用。     

上海地区春季最高气温预报失败案例分析

本文分析了2015年3月17—18日上海地区连续两天发生最高气温预报失误的天气背景,并使用当日实况观测和业务预报使用的数值模式资料,剖析预报失败的原因,分析表明:对天空状况的误判是导致17日预报失败的主要原因,且东南风预报偏强更进一步增大了预报误差;冷空气影响时间的判断失误是导致18日预报失败的主要原因。从模式预报的实时检验、预报的跳跃性和不确定性角度分析了预报中存在的问题:预报员应重视本地和上游实况,从传统对单一确定性模式预报的依赖向多模式多起报时次及能提供概率预报和不确定性信息的业务集合预报的分析思路转型。此外,还需加强对集合预报的系统性检验、评估及数值预报释用产品的开发,增加包含不确定性信息的公众天气预报发布形式。     

湍流的粘性和频散效应

本文应用Prandtl混合长理论导得了既包含湍流粘性又包含湍流频散的新的Reynolds平均运动方程组.分析指出:(1)湍流不仅存在粘性效应,而且存在频散效应;(2)正是湍流的频散效应可能导致能量逆转(即常说的负粘性现象,实质为一定条件下的负频散现象),并给出了能量逆转的必要条件和充分条件;(3)给出了湍流的KdV-Burgers方程模型.     

托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生长对环境的响应对比

利用采自天山南坡托什干河流域的额河杨(Populus xjrtyschensis Ch.Y.Yang)和山区森林上线的雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey)树轮样本,分别建立树轮宽度年表,选用相关函数法结合阿合奇气象站和沙里桂兰克水文站的逐月降水、温度和径流等主要环境因子,分析托什干河不同树种树木径向生长对环境因子的响应。研究表明,额河杨和森林上线的雪岭云杉树木径向生长对气候的响应均较差,位于森林上线的雪岭云杉对春季PDSI响应较好。托什干河流域树木径向生长可能受多种气象因子综合影响。同时,额河杨和雪岭云杉与径流量的相关性较高,额河杨树木径向生长响应夏季径流量,而雪岭云杉可以更好地响应水文年的径流量。本研究为利用阔叶树种重建天山山区历史气候水文变化提供参考。     

自动气象站的动态试验及其测量准确度

计算了自动气象站动态对比试验结果的相关系数和差值误差区间，从而论证了对比试验的可信度。提出了计算自动气象站测量结果的标准差、合格率、准确度的方法。并用隐含周期分析与自相关模型得出了自动气象站的某些测量结果优于人工观测结果的结论。     

基于一个不同网格相互嵌套的陆气耦合模式的气候模拟研究

将一个大气植被相互作用模式(AVIM)与大气所LASG的R15九层大气环流模式GOALS相耦合．用来模拟多年平均的全球气候状况。AVIM是一个陆地表面陆面和生理过程相互反馈的模型。作为陆气耦合的第一步,暂不考虑AVIM中的生理过程,而首光将其物理过程[相当于通常的SVAT(土壤—植被—大气—传输方案)模型]与大气所LASG的九层大气环流模式耦合起来．其中海洋模式部分不参与积分,海面温度是多年平均的气候伯。考虑到GCM的分辨率较低(7．5°×4．5°)而植被分布必须有较高的分辨率(1.5°×1.5°),采取广大气与地表面粗细网格的嵌套耦合。模式积分15年,取最后10年的平均值作分析。将模拟的气候要素场与观测值和NCEP再分析资料作了比较,气候模拟结果反映了全球环流与温湿场的主要特征,特别是降水和地面气温的模拟效果较好。这为今后气候模式与生物圈的耦合奠定广一个良好的基础。     

10──20天准双周振荡的经向传播及地理特征

本文采用ＥＣＭＷＦ１９８３年７月１日至９月１２日逐日２００ｈＰａ纬向风场资料，用复经验正交方法讨论了１０－２０天低频振荡的经向传播及地理特征。结果表明：（１）１０－－２天振荡有三个显著区域：贝加尔湖附近地区；赤道９０°Ｅ附近以及新加坡、马来西亚地区；８０－１００°Ｅ，２２－３２°Ｎ之间。（２）源于较高纬度地区的振荡与源于赤道附近地区的振荡在１０５°Ｅ，１７—２３°Ｎ附近同位相相遇，在９０°Ｅ，２０°Ｎ附近反位相相叠加，振荡相互削弱，在２５°Ｎ附近同位相相遇。（３）从振荡位相来看，中南半岛东南部、马来西亚北部、菲律宾以西区域的振荡向北传播到中国东南沿海，向西传播到孟加拉湾印度半岛；２０°Ｎ以南低纬度地区的振荡很少能传播到８０°Ｅ以东３０°Ｎ附近地区；位于９０－９５°Ｅ，２５－２７°Ｎ之间的振荡以及贝加尔湖附近地区的振荡可以向南北两个方向传播。     

青藏高原及其周围植被对夏季气候影响的套网格数值试验比较

利用钱永甫有地形５层原始方程模式,与颜宏等复杂地形条件下有限区域细网格模式进行单向嵌套,即初始场采用前者计算５ｄ后,得到各特征等压面上的高度场和湿度场,向后者每２４ｈ输送一次边界值。地－气模式采用经Ｄｅａｒｄｏｒｆ植被参数化修正的地面热量平衡方程进行耦合。在此基础上进行了夏季（７月）有植被和无植被两种情况的数值试验。有植被情况模拟的高度场、温度场与实测场的相关系数高于无植被的情况。试验发现,有植被比无植被情况的海平面气压场、低层高度场、潜热输送、整层大气湿度和降水量有所增加,而温度场和大陆热低压强度有所降低。     

热带大气季节内振荡的一个数值模拟研究

文中分析了中国科学院大气物理研究所全球气候谱模式ALGCM (R4 2L9) 12a(1978～ 1989年 )积分的逐日输出结果 ,并与 1978～ 1989年的逐日NCEP资料对照 ,以此对热带季节内振荡 (30～ 6 0d振荡 )进行数值模拟研究。分析表明 ,该模式在热带地区可以模拟出明显的季节内振荡 (ISO)的准周期信号 ,并抓住了热带ISO的基本传播特征 ,能较好地再现东、西半球传播速度的差异 ,同时模式模拟存在东传要好于西传 ,冬、春季的模拟要好于夏、秋季的现象。该模式模拟的热带ISO的强度较许多大气模式明显提高 ,尤其是对 2 0 0hPa上ISO动能强度的模拟。模式基本模拟出了ISO低层辐合、高层辐散的水平风场特征。模式较好地再现了热带ISO纬向风的垂直结构。此外 ,观测资料表明热带ISO在冬、春强 ,而夏、秋弱的季节性倾向与ISO的年际变化相联系 ,模拟的ISO在季节性倾向偏差上表现为冬、夏相对强 ,而春、秋相对弱。垂直速度、散度、水汽等物理量的配置同NCEP资料的结构特征仍有明显差异 ,模拟的ISO空间分布也不太理想 ,表明要很好模拟ISO结构和空间分布特征 ,还须做不少工作。     

8616号台风风场非对称研究

本文对8616号台风动力学特征和能量学特征量进行了计算和分析。研究结果表明,这个台风风速分布不对称,气旋性最大切向风位于台风右前象限。风速的垂直切变随台风加强而减弱。强流入位于台风南半圆300hPa以下,流入最大值在700hPa层附近。高层最强反气旋流出在150—100hPa层附近,流出主要位于台风北半圆。在台风内区,正涡度分布近似准对称,散度分布很不对称。这个台风垂直运动分布与台风的发展及位置有密切关系。台风整个生命期均具有暖心结构,250—200hPa附近增暖最明显。扰动期500hPa以上存在干燥层,     

青藏高原夏季中尺度强对流系统的时空分布

利用1994年6～8月GMS-4红外展宽数字资料，统计和分析了青藏高原上293个中尺度强对流系统（s-MCS）的活动。结果表明，它们在高原上活动频繁，并且其生命史、水平尺度及强度具有较典型的中-β尺度系统特征；它们的形成和发展主要是由于地形热力效应；它们的移动方向与300～200 hPa间的平均气流方向大体一致，并且极少移出高原。