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GRAPES_Meso的集合预报扰动方案设计与比较

基于GRAPES_Meso区域集合预报系统,设计了三种集合预报扰动方案,即多初值、多初值多物理、多初值多物理多边值,并针对三种方案进行了连续一个月的批量试验,重点分析了2008年7月23日江淮暴雨过程.结果表明,对于降水预报,三种集合扰动方案均相对于控制预报均有所改善,多初值多物理与多初值多物理多边值方案对小雨、中雨预报改进效果显著,对暴雨预报略有改进;多初值方案仅能产生有限的集合离散度且难以增长,引入物理参数方案扰动及边界条件扰动能显著提高集合离散度,改善各物理量场的预报效果;通过比较,多初值多物理多边值为最优方案.该批量试验表明,模式物理过程及边界条件是影响GRAPES _Meso区域集合预报不确定性的不可忽视因素.     

两种短期降水集合预报方案的对比试验

将MM5V3作为试验模式,利用初值扰动和物理参数化方案,分别对东南沿海地区2004年7—9月的短期降水进行了模拟,并运用均方根误差法对模拟试验效果进行了评估检验,以比较两种方案的集合预报效果。结果表明,对于汛期短期降水预报而言,两种方案的预报效果都有一定的改进。相对于初值误差而言,积云对流过程在汛期降水过程中起着更为重要的作用,因而物理参数化方案扰动的集合预报效果,总体优于基于初值扰动的集合预报效果。研究还发现,模式物理参数化方案扰动的集合预报效果在9月出现了明显的下滑,这主要由于7—8月对流活动旺盛,而9月对流活动随热力因素减弱而减弱的原因所致。     

北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日(“7.21”)北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似, 都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度, 并且主要集中在强降水中心附近, 因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度, 但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km), 其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大, 并且能部分消除预报系统偏差。(3) 所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致, 即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。     

区域集合预报对华南一次暴雨试验研究

利用增长模繁殖法(BGM),对2012年6月我国长江中下游及华南地区的一次强降水过程进行了不同扰动方案的集合预报试验研究。分别对集合预报中只考虑初值扰动、加入模式物理过程扰动和加入地表参量扰动的三种不同扰动方案进行了对比试验,并对最优试验方案的降水集合预报结果进行检验分析。(1) 同时考虑风场、温度场、湿度场、高度场和地表参量的初值扰动,以及考虑模式物理过程扰动的降水集合预报效果最优,可有效提高灾害性天气的预报效果。(2) 初值扰动和模式物理过程扰动对降水预报都有着重要的影响,相同的模式物理过程扰动会由于不同的初值扰动而产生较大差异,并且扰动的集合平均预报对降水有较好的指导意义 。(3) 对于位势高度场预报检验 ,集合预报平均要好于控制预报,并且随着预报时效延长,这种优势更加明显。(4) 对此次强降水过程在长江中下游、华南地区和全国区域的各量级降水预报TS评分检验可知,集合预报较单一的决定性预报(控制预报)效果有明显改善;集合平均预报一般都好于控制预报 ,同时集合预报也为预报员提供了天气不确定性的警示作用。      

中尺度集合预报对川渝地区“8.16”暴雨过程的分析

利用ARPS和WRF模式,基于不同的物理过程参数化方案建立了一个多初值、多物理过程的中尺度集合预报系统,并对2015年8月16—18日发生在四川盆地的西南低涡暴雨过程进行试验分析。结果表明:建立的中尺度集合预报系统对此次暴雨过程有较好的预报能力,与确定性预报相比,降水集合平均以及概率预报等产品对暴雨的预报有一定的指示意义。初值扰动的集合预报对暴雨及以下量级的预报较优;物理过程扰动的集合预报对大暴雨及以上量级的预报较好;同时考虑2种扰动的集合预报总体上好于单因子扰动的集合预报,使降水预报效果得到明显改善。对天气系统(高空槽、低涡、切变线)以及气象要素(风场、水汽)的预报差异是造成"好"、"坏"成员预报效果差异的主要原因,且低层形势场(尤其是风场的预报)对初值及物理过程的扰动比高层要敏感。集合预报对大雨及以上量级预报技巧的提高有明显正贡献,但是对特大暴雨的预报不确定性很大,还有较大的改进空间。     

国家级区域集合预报系统研发和性能检验

该文简要介绍了中国气象局国家气象中心研发的区域中尺度集合预报系统主要技术特点:在初值扰动技术方面,通过研究中国地区中尺度模式预报误差快速增长特点、中国地形地貌特征与观测资料的分布情况,研发适合于中尺度模式的增长模繁殖法扰动技术构造初值场;分析数值模式物理过程参数化方案内在的不确定性以及对强对流天气和近地面要素预报的差异,确定多物理过程扰动技术方案。解决全球集合预报扰动信息向中尺度集合预报输入的关键技术,实现中尺度区域集合预报系统与全球中期集合预报系统的嵌套。在模式后处理方面,解决中尺度集合预报结果的偏差订正技术;开发满足多种需求的多要素、多层次概率预报产品和概率预报检验产品。在世界天气研究计划"2008年北京奥运会中尺度集合预报研究开发项目"3年实时预报试验比较评价中,中国气象局国家气象中心区域中尺度集合预报系统总体预报能力与国外同类系统相当。     

区域集合预报扰动方法研究进展综述

集合预报方法是解决单一数值预报不确定性问题的有效手段,而针对强天气预报的中尺度区域集合预报技术已逐渐受到国内外的重视。对于区域集合预报而言,由于其不确定性来源较为复杂,如何发展有效的扰动方法是研究的热点和难点。本文根据国内外区域集合预报的研究进展,从初值扰动、模式扰动以及侧边界扰动三个方面进行了总结和回顾,并对扰动方法的发展趋势进行了介绍。对于初值扰动,较为主流的方法有动力降尺度,沿用传统的由全球集合扰动方法发展而来的技术为区域集合产生初值,以及专门为区域集合设计的扰动方法。鉴于这些方法各有利弊,目前对于初值扰动方法的研究已经开始发展充分包含大尺度和小尺度不确定性信息的混合扰动方法。区域集合预报模式扰动的研究以物理过程扰动为主,典型方法为多物理过程组合以及随机物理过程扰动,其中多物理过程组合方法简单有效,而随机物理过程扰动方法的物理意义更为明确,是物理过程扰动的趋势。通过多模式组合进行模式扰动的方法也开展了一些相关研究,且对于台风等强天气预报均显示出相对于单模式集合较好的效果。侧边界扰动的主流方法是由大尺度集合预报场来为区域集合提供不同的侧边界,研究结果表明此种侧边界扰动方法简便易行,且有助于提高区域集合预报较长预报时效离散度和预报技巧。     

非绝热物理过程对北京暴雨数值预报不确定性影响

选取了2001年8月发生于北京市的具有不同大尺度环流强迫特征的两次强降水过程,利用MM5模式和国家气象中心的T213预报资料,分析了模式非绝热物理过程对北京市暴雨数值预报的影响特征和不确定性,探讨了解决暴雨预报不确定性的集合预报方法,进行了多物理模式集合预报试验。试验结果表明:模式非绝热物理参数化方案对精细化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;在高分辨率模式中,采用积云对流参数化方案后,会出现更多的小量级降水预报,且不论是大尺度强迫较强的暴雨,还是大尺度强迫较弱的暴雨,对流参数化方案都是造成降水预报不确定性的重要因素。多物理集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可提供有价值的预报信息,是解决灾害性天气预报不确定性的一种有效的技术方法,但就目前的模式水平而言,可重点发展降水集合预报,特别是强降水集合预报系统,以反映模式在降水预报中存在的不确定性。     

随机辐射参数化过程扰动方案对温度预报的影响

数值模式中辐射参数化过程的不确定性是导致温度预报不准确的原因之一,为了在WRF集合预报系统中提高温度预报的效果,提出一种针对辐射参数化倾向的随机扰动方案（Stochastically Perturbed Radiation Parameterization Tendencies, SPRPT）。并将这种方法与多辐射参数化物理过程方案、多参数扰动方案及传统的随机物理过程扰动方案（SPPT）方法对比。针对2014年7月的温度模拟过程中,多辐射参数化物理过程方案虽然在700 hPa以下及地面2 m温度的预报上有较大离散度,但会增大温度预报的误差,但综合效果没有SPRPT方案好;扰动散射调谐参数可在一定程度上提高温度预报,但不显著;在同样扰动参数下,SPPT方案对温度的预报改进不明显。而SPRPT方案能显著提高集合预报系统的离散度,降低地面2 m温度的暖偏差。评分指出该方案对集合预报系统,尤其是在模式底层及近地面的温度预报上,改善明显。      

MCC降水过程集合预报不同物理过程扰动方案的对比试验研究

利用WRF模式,从模式的不确定性角度来构造中尺度的集合预报,重点对比分析了不同物理参数化方案、物理过程随机扰动方案、积云对流参数化敏感参数扰动方案对中尺度对流复合体降水集合预报的影响。试验结果表明:3种物理过程扰动方法都可以反映中尺度对流复合体降水预报的不确定性特征,其预报效果比控制预报好。物理过程随机扰动方案集合平均的降水落区及强度最接近实况,并且其降水的ETS评分要高于其他2种方案。从均方根误差与离散度的角度来看,3种方案中物理过程随机扰动的均方根误差要小于其他2种方案,而其离散度要大于其他2种方案,物理过程随机扰动方案要优于其他2种方案。     

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.     

多物理ETKF在暴雨集合预报中的初步应用

基于集合转换卡尔曼滤波（ETKF）的初值扰动方法是目前集合预报领域热点方法之一,但应用在短期集合预报中仍存在离散度不够、误差较大等问题。考虑到在区域短期集合预报中,模式不确定性和边界不确定性的影响不能忽略,本文尝试在ETKF生成分析扰动的过程中,同时考虑初值不确定性、物理不确定性与边界不确定性,进而构建多初值、多物理、多边界ETKF集合,并以2010年9月30日到10月8日海南岛特大暴雨作为研究个例,对其在暴雨集合预报中的应用展开初步研究,重点分析多种物理参数化过程对预报结果的影响。结果表明,多物理过程的ETKF（多物理ETKF）和单物理过程的ETKF（单一ETKF）均优于对照预报,多物理ETKF优势更加明显,其均方根误差、离散度等指标均得到很好的改善;对于降水采用SAL方法进行检验,发现多物理ETKF对于降水位置的预报有明显的改善,对于特大暴雨的强度预报也略有改善。研究表明,在ETKF初值扰动中加入多种物理过程,可以有效改善短期集合的离散度,提高预报准确率,有良好的发展前景和应用潜力。     

随机物理过程扰动方案在克拉玛依区域集合预报中的应用研究

克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。     

AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。     

中尺度降水集合预报随机参数扰动方法敏感性试验

中尺度降水模式预报具有很大的不确定性,为更好地描述与模式降水预报密切相关的物理过程关键参数的不确定性,基于中国气象局GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中尺度区域集合预报模式,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等4个参数化方案中选取了18个关键参数,设计了一种随机参数扰动方案（Stochastically Perturbed Parameterization,SPP）,并通过2015年6—7月总计10 d的随机扰动集合预报试验,对比分析了SPP方案对不同物理过程参数扰动敏感性、随机场时、空尺度敏感性、能量变化特征及其集合预报效果。结果显示,对所选择的任一物理过程参数化方案增加SPP扰动后,降水及等压面要素的概率预报技巧优于无SPP扰动的预报,而扰动积云对流和边界层过程中的参数较扰动云微物理过程中的参数影响更显著,且同时扰动积云对流、云微物理、边界层及近地面层参数化方案中的18个参数的集合预报效果优于扰动任何单一物理过程中的部分参数,表明SPP方案能够有效地提高中尺度降水概率预报技巧;从能量变化特征可知,不同物理过程的参数扰动对动能、内能和总能量的影响层次和特征有所不同,但总体而言,扰动前后各项能量基本相同;随机场时、空尺度敏感性试验发现,SPP扰动随机场时间、空间相关尺度对集合预报效果有明显影响,当扰动随机场选用12 h抗相关时间及截断波数20时,集合预报结果最优。上述结果表明,SPP随机参数扰动方案不仅能够有效提高集合概率预报效果,还能够提高集合降水概率预报技巧,具有良好的业务应用与发展前景。      

GRAPES区域集合预报系统应用研究

为发展GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域集合预报系统(GRAPES Regional Ensemble Prediction System,GRAPES-REPS),采用集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动方法以及多物理过程组合的模式扰动方法,基于业务区域模式GRAPES_MesoV3.3.2.4构建了区域集合预报系统,进行了连续40 d的批量试验,重点分析了ETKF初值扰动的结构及其演变特征,并通过概率预报检验方法对GRAPES-REPS进行了集合预报系统性能检验和降水预报检验,分析了该系统对强降水个例的预报效果。试验结果表明,GRAPES-REPS能产生较合理的集合预报初值扰动,扰动结构随流型依赖并对观测有较好的响应,且扰动成员相互正交。扰动总能量分析表明集合扰动能够随预报时效保持合理增长状态。集合预报检验表明集合预报结果优于控制预报,集合成员间在72 h预报时效内能保持合理的集合离散度。将该区域集合预报系统与业务上基于WRF模式的区域集合预报系统WRF-REPS进行了降水预报对比,表明GRAPES-REPS的降水预报能力表现要优于业务WRF-REPS。强降水个例分析表明集合预报能较好预报出强降水中心,预报效果明显优于控制预报。     

GRAPES全球/区域集合预报系统10年发展回顾及展望

较系统地概述了中国气象局全球/区域集合预报系统及描述模式初值和模式自身不确定性的集合预报扰动技术发展历程,回顾了GRAPES(Global/Regional Assimilation Pr Ediction System)全球集合预报的奇异向量初值扰动方法、GRAPES区域集合预报的集合变换卡尔曼滤波初值扰动方法和多尺度混合初值扰动方法、GRAPES全球/区域集合预报模式不确定性的随机物理过程倾向项扰动方法和动能后向散射随机补偿方法等研究成果,介绍了GRAPES全球/区域集合预报业务系统构建参数设置和预报性能,最后分析了GRAPES全球/区域集合预报中存在的问题,展望了未来发展方向。     

针对WRF模式中行星边界层参数化过程倾向项的扰动方法

针对WRF模式中行星边界层参数化过程中的不确定性,发展了一种针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT),该方案针对行星边界层计算的温度、风场、水汽倾向项进行扰动。使用该方案、多行星边界层参数化方案、多参数扰动方案及针对WRF模式总倾向的随机物理过程扰动(SPPT)方案对2014年7月进行对比实验,发现使用较大格点方差的SPPBLPT方案能有效降低地面温度与风场的误差,也能降低降水的预报误差,而其他方案对预报改善不明显。针对地面温度和风场的BS评分显示,SPPBLPT方案通过降低可靠性评分(提高可靠性),显著改善了集合预报对温度与风场的可能性预报,同时该方案能显著提高降水的GSS评分,在所有实验中,较大格点方差的SPPBLPT方案表现最好。针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT)能显著提升集合预报系统性能,但是该方案的扰动参数的设置还需要进一步研究。