定量降水预报技术进展

对21世纪以来定量降水预报技术流程中的数值模式预报、统计后处理、检验评估和预报员作用4个方面的研究工作进行了归纳,主要进展包括:业务全球模式对于降水的预报能力持续提升,而发展高分辨率模式 (尤其是对流尺度模式) 和集合预报是提高定量降水预报精准化水平的主要途径,且将两者相结合以促进短期降水预报是发展趋势;统计后处理技术已发展到应用数据挖掘方法对海量预报数据中有效信息进行提取和集成,而再预报资料的出现将进一步促进统计后处理技术的发展;为解决评估精细化定量降水预报面临的新问题,多种新的检验技术得到发展和应用,如极端降水检验评分、空间检验技术及概率检验方法等;预报员在模式和后处理方法上能够提供的附加值越来越有限,但在预报流程中仍将处于核心地位,其角色将逐渐向帮助用户进行决策方向转变。文章指出,定量降水预报技术的发展所面临的挑战包括大气水汽观测及同化技术改进、暖区和复杂地形下暴雨预报等科学问题的解决。     

美国国家气象中心33年定量降水预报的评估

１９９６年美国国家气象中心开始实施定量降水预报和深入的ＱＰＦ检验方案。这些ＱＰＦ产品从一个依靠广泛预报经验的人工方法演变到更多依靠对数值模式的解释和修正的方法。     

黑龙江省2020-2022年汛期多模式降水预报检验评估

本文利用黑龙江省考核站降水观测数据,对2020-2022年汛期6-8月全球尺度模式预报、中尺度模式预报、客观订正预报等在黑龙江省预报性能、误差进行了对比分析。对比检验分析发现,定量降水预报误差与观测降水量密切相关,汛期降水量较大,预报定量误差较大。黑龙江省气象台客观预报和融合预报误差相对较小,中尺度模式的定量误差相对较大。五种降水预报存在预报范围偏大的问题,EC预报范围偏大现象最为显著。针对一般性降水,两种订正预报随机误差表现最好,其次为EC预报,两种中尺度模式降水预报的随机误差表现相对较差。订正预报pm＿fm在大雨及以下量级随机误差表现最好,暴雨量级CMA-SH9最好。订正预报不但可以有效消除模式系统性误差,也可以改善原始模式随机误差。降水分级检验结果表明,CMA-MESO在大暴雨量级有一定的预报能力,fuse在大雨量级上表现较好,pm＿fm在小雨、暴雨量级上预报能力明显优于其它模式。     

2004年主汛期各数值预报模式定量降水预报评估

随着数值预报技术的飞速发展, 模式定量降水预报已成为天气预报业务工作中的主要参考依据。本文对目前在国家气象中心应用的3个业务运行模式T213L31, HLAFS0.25, 华北中尺度模式MM5和德国模式及日本模式的降水预报产品进行了季节空间分布、区域时间序列演变及统计检验, 试图从空间、时间及统计方面对降水预报产品的预报性能进行综合评估。检验结果表明:目前的数值预报模式对短期时效内定量降水预报均具有一定的空间预报能力, 但强降水中心位置有一定的偏差; 从时间序列演变检验来看, 模式对区域强降水过程的发展趋势具有较强的预报能力, 但降水量预报与实况有一定的差距; 从累加统计评分检验结果来看, 模式短期时效的预报性能差别不大, 全球模式在小中雨预报方面有一定优势, 其中日本模式的综合预报性能最好, 大雨以上量级的预报则是国内的模式有一定的优势, 其中华北中尺度MM5模式, T213L31模式各有所长, 但均存在预报量和预报区偏大问题。     

SAL定量降水预报检验方法的解释与应用

引入德国定量降水预报检验SAL方法,以2009年6月29日降水(长江中下游2009年入梅首场降水)为例,对AREM、T639、T213、JAPAN模式0～24h降水预报的SAL检验进行剖析,与SAL方法原理介绍相结合,全面而详细地对SAL检验方法进行阐释,通过对2009年三次大范围强降水的检验,分析和总结SAL方法在降水预报检验中的应用。结果表明:1)SAL检验方法是对某一天降水的预报效果进行检验的方法,它可对雨带的预报从强度(A)、位置(L)、结构(S)三方面进行评估。2)SAL检验结果中,对降水预报效果指示意义最大的为L值,L值越小,预报效果好的可能性越大,A值其次,S值再次。3)SAL值只在针对同一个降水实况的条件下具有可比性,不同降水日,因作为检验参考系的实况不同,其S、A、L值不具可比性。     

日本数值预报产品在丹东地区降水预报的检验和评估

选取2001年7月至2005年6月的日本数值预报传真图产品资料，依据《中短期天气预报质量检验办法》进行检验，并用天气学分析法对所得结果进行评估。结果表明：晴雨（雪）预报正确率和降水技巧评分较高；小雨预报效果好；暴雨（雪）预报准确率较高，但预报量值比实况量值明显偏小；对不同天气系统降水其预报能力不同；物理量与强降水有较好的对应关系。     

多种数值预报产品在贵州定量降水预报中的检验

通过对2011—2012年期间欧洲中心、日本、T639、WRF各家数值预报24 h降水预报产品插值到贵州省85个县观测站,对比每日累计实况降水量,划分为≥0.1 mm(晴雨)、≥10.0 mm(中雨以上)、≥25.0 mm(大雨以上)共3个等级进行了评估。结果发现:欧洲中心细网格和T639在贵州省各个量级降水预报均有偏大的趋势;日本模式在大雨以上量级的降水预报中对我省有偏少的趋势;WRF模式在晴雨预报中表现最好,而在明显降水的预报中表现略差。预报结果空间分布显示:欧洲中心细网格对贵州中部一线地区的明显降水预报较好;T639模式在一般性降水预报中与其他模式效果相当,但在大雨以上量级的预报中表现出明显的地区差异;日本模式在贵州东北部地区效果明显;WRF模式大雨以上量级的预报效果总体差异并不大,主要有3个大值中心,分别位于省的北部边缘、西部边缘和南部边缘,说明在以上地区WRF对大雨以上降水的预报效果具有一定的参考意义。     

数值预报产品效果检验及在降水预报中的应用

通过对目前天气预报业务中使用的Ｔ１０６、ＨＬＡＦＳ和日本模式三种数值预报产品对烟台市降水预报效果的检验、对比和分析,发现：数值预报产品在暴雨和一般降水预报中有一定指导作用;暴雨和一般降水预报效果都是日本模式好于ＨＬＡＦＳ,ＨＬＡＦＳ好于Ｔ１０６;三种预报产品对低压或倒槽型的降水预报准确率普遍较高;当三种预报产品均预报有降水时,其出现降水的准确率为７５．９％。     

深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报的检验评估

目前数值模式对台风降水预报的准确率仍有待提高。为了评估深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报能力,选取了2015—2018年共14个影响广东台风个例,利用广东省2 300多个自动气象观测站的24小时累计降水观测资料,检验该系统的集合预报方法(含集合平均方法和概率匹配平均方法)和控制预报方法的24小时降水预报结果。(1)系统对台风24小时降水预报具有较好参考价值,三种方法的暴雨等级预报TS评分均达到0.39以上。(2)集合预报方法总体上优于控制预报方法,可改善珠江口两侧暴雨中心降水预报。其中集合平均方法总体预报效果最好,其降水预报均方根误差为38.1 mm,比控制预报方法减少18.8%,对暴雨等级预报TS评分为0.469比控制,预报方法提升20.1%,但是对特大暴雨等级预报能力不足;而概率匹配平均方法改善了小雨和特大暴雨的预报能力。(3)系统对较强台风的降水预报能力优于弱台风。在较强台风情形下,系统对粤东暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报方法偏差最大,其他地方降水预报偏大为主;在弱台风情形下,系统对降水预报存在明显系统性偏大,但对粤西暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报偏差最大。      

A SIMILARITY SCHEME FOR QUANTITATIVE FORECAST OF PRECIPITATION OF TYPHOONS

A quantitative scheme is put forward in our work of forecasting the storm rainfall of typhoons for specific sites.Using the initial parameters,weather situations and physical quantities as well as numerical weather prediction products,the scheme constructs multivariate,objective and similarity criteria for environmental factors for the time between the current and forthcoming moment within the domain of forecast.Through defining a non-linear similarity index,this work presents a comprehensive assessment of the similarity between historical samples of typhoons and those being forecast in terms of continuous dynamic states under the multivariate criteria in order to identify similar samples.The historical rainfall records of the similar samples are used to run weighted summarization of the similarity index to determine site-specific and quantitative forecasts of future typhoon rainfall.Samples resembling the typhoon being forecast are selected by defining a non-linear similarity index composed of multiple criteria.Trial tests have demonstrated that this scheme has positive prediction skill.     

2004年汛期(5～9月)主客观降水预报检验

随着气象事业的发展,天气预报的质量越来越依赖于数值预报产品的性能。预报产品检验是评价预报质量和提高预报水平的有效手段。针对2004年汛期（5～9月）中央气象台预报员及T213、HLAFS25、MM5、GRAPES、日本及德国等国内外数值预报模式短期时效的降水预报做了详细的统计学检验。检验结果表明,对于汛期平均而言,各模式与预报员的小雨预报较好,随降水量级的增加TS评分迅速下降,国内外数值预报模式之间降水预报水平差别不大,预报员与模式相比水平略高;但对于过程预报而言,过程不同,各模式和预报员的表现不同,预报员和MM5对河南暴雨预报较好;GRAPES和日本模式对台风暴雨预报略好;T213对于四川东部暴雨的大量级降水预报较好;无论是预报员,还是数值预报模式,北京暴雨的预报是一个典型的失败个例。同时,我们也发现检验系统存在一些问题,有待今后逐步改进。     

一种台风过程雨量的相似预报方法

提出一个台风过程雨量的定点、定量预报方法。方法应用台风初始参数、历史过程的天气形势场和物理量场及数值预报产品,构造预报区域内当前时刻至未来时刻环境要素场的多元客观相似判据。通过定义非线性的相似指数,综合评估历史台风样本与预报台风在多元判据下的连续动态相似程度,以此找到相似样本。应用相似样本的历史雨量记录进行相似指数的权重综合,得到台风未来雨量的定点、定量预报值。预报试验表明该方法具有一定的预报技巧。     

台风网格风场主客观融合技术的应用及评估

针对实际预报工作中,台风主观预报和模式风场客观预报不一致的问题,基于南海台风模式(CMATRAMS)资料、实时台风主观预报资料,采用一种考虑下垫面作用的动力解释应用方法 TCwind,得到了能较合理描述台风风场的数学方程组,结合网格预报技术,进行台风主观预报和模式风场的主客观融合,实现了台风风场预报的订正,能为网格预报提供有效辅助。以实时台风主观预报为评判标准,检验评估了2018—2019年西北太平洋所有台风的融合订正效果,发现订正后的台风风场中心能较准确地向主观路径预报调整;台风中心附近最大风速相较模式显著增强,趋近主观强度预报;台风环流风速比模式原始风速增大,风场结构分布相比模式原始风场也更合理。     

NCC_CGCM模式的我国夏季降水集合预报方法效果评估及改进

通过对国家气候中心全球海气耦合模式(NCC_CGCM)1983～2006年48个不同初值样本的我国夏季降水预报(回报)、等权重集合预报及二次非线性订正预报的评估效果比较,其中订正预报的平均效果比等权重集合预报的平均效果好,但总体平均预报效果都不高.在评估中发现,48个样本在不同地区的预报效果的差异显著,正相关显著区域出现的位置各不相同,有的样本出现在江南,有的出现在东北,还有的出现在黄淮等地,因此提出了用历史回报的相关系数构建新的集合预报.试验表明,新集合预报的平均效果优于等权重集合预报、二次非线性订正预报和业务系统中现有的集成方法.     

基于最优概率的中期延伸期过程累计降水量分级订正预报

采用ECMWF集合预报降水量资料和中国降水量观测资料,研发了基于最优概率的过程累计降水量分级订正预报(OPPF)技术,并在遵循总体技术思路的基础上设计出三种不同的OPPF计算方案(OPPF1、OPPF2、OPPF3),继而选用2015—2017年汛期(5—9月)中国91次区域性强降水过程进行回报试验和预报效果对比评估,结果表明:(1)在中期延伸期预报时效(96~360小时),对强降水和有无降水的预报效果,三种OPPF均明显优于集合平均(EMPF)和控制预报(CTPF);对中等以上或较强以上强度降水的预报效果,OPPF1和OPPF3明显优于CTPF、与EMPF基本接近。(2)三种OPPF相比,OPPF3的预报效果较OPPF1总体略胜一筹,两者均好于OPPF2。(3)预报效果存在明显的地域差异,南方地区强降水预报的TS评分明显大于北方地区,且OPPF3预报效果明显优于EMPF;在96~240小时预报时效,东北地区东部OPPF3强降水的预报效果也明显好于EMPF。      

华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估

基于华南地区自动站逐小时观测资料, 采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES_GZ_R 1 km模式和GRAPES_GZ 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明: GRAPES_GZ_R 1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES_GZ 3 km模式, 模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报, 00时(世界时, 下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES_GZ_R 1 km模式的TS评分是GRAPES_GZ 3 km模式的两倍以上, 对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_GZ_R 1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度, 对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征, GRAPES_GZ_R 1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES_GZ 3 km模式, 预报绝对误差更小; 两个模式对风速的预报整体偏强, 预报偏差在1~4 m/s之间, 但相比之下GRAPES_GZ 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES_GZ_R 1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动, 强降水过后温度预报整体偏低, 风速预报偏强, 在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说, GRAPES_GZ_R 1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。      

资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

台风“黑格比”造成浙东北滞后型暴雨成因分析及多模式预报检验

基于地面常规加密观测及ERA5再分析、热带气旋最佳路径、雷达卫星等资料,利用天气诊断方法探讨了2020年4号台风“黑格比”在登陆北上减弱后南侧滞留的降水云团引发浙东北暴雨成因。受对流层中层副高西脊点偏西及台风北侧高层急流出口区右侧辐合下沉影响,台风云系不对称结构明显,主要分布在南侧。中层冷空气从台风西侧入侵触发中小尺度对流系统,小尺度云团在台风环流内逆时针移动至台风东侧并发展滞留,在浙东北引发强降水。期间冷暖气团（中层MPV1正值和低层MPV2负值）交汇区及中低层锋生大值均可指示暴雨落区,垂直螺旋度也可体现冷空气入侵后台风后倾的垂直结构演变特征;台风东侧持续的西南急流水汽输送有利于夜间浙东北对流降水的维持发展,且水汽低层辐散区对强降水落区有6 h左右的预报提前量。基于SAL定量降水检验证实：大尺度模式由于模拟对流降水演变的欠缺,无法预报出夜间滞后型暴雨增幅;中小尺度模式虽然对暴雨强度刻画相对准确,但大值雨区偏移;ECMWF 3日20:00起报场预报过程累积雨量误差小,较4日08:00起报预报结果更接近实况,但短时暴雨出现时间偏早3～6 h,不利于此类滞后型区域暴雨的预报参考。