2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

利用经过质量控制的风廓线雷达组网资料（以下简称观测）对华中区域中尺度业务模式（WHMM）水平风场的预报能力进行检验评估,分别从总体、不同高度、不同风速以及单站等方面对全风速（wspd）、纬向风（u）、经向风（v）进行1个月（2013年5月）的统计分析。结果表明：（1）WHMM对风场具有较好的预报能力。其12 h和24 h的预报与观测的相关系数在0.6以上,通过α=0.01的显著性检验,12 h相关系数大于24 h的,预报风速整体存在负偏差,较观测偏小。随预报时效延长,风场的预报误差增大。u和wspd的预报能力好于v。（2）在垂直方向上,WHMM的wspd、u和v预报的均方根误差（RMSE）随高度先增加后减小,在1~2 km高度预报误差较大,4~5 km的预报误差较小。（3）按照风廓线雷达测风wspd间隔5 m·s^-1将模式预报分组,在30 m·s^-1以下不同速度分组中,WHMM 12 h预报的wspd、u和v与观测值的相关系数均大于24 h的,且通过α=0.01的显著性检验,12 h预报的RMSE大于24 h的,并随风速增加而增大。（4）从单站的风廓线来看,模式可以预报出站点上空风场随高度的变化趋势,广州站预报效果好于芜湖和秭归站。

     

2013年华中区域中尺度业务数值预报的客观检验

使用Ts评分、面向对象的预报检验等方法,对2016年4-6月武汉市出现的三次强降水过程模式精细化预报结果进行了质量检验,在分析和总结各检验方法的优缺点的基础上,提出了以一次区域范围内的强降水作为研究对象,考虑降水起止时间、单位时间雨强和强降水出现时段等因素,以区域内各站点降水预报时间序列和实况时间序列的相关系数构建空间分布矩阵,通过对矩阵的结构和数值进行分析以检验模式降水精细化预报准确度的综合预报质量检验方法。结果表明：由于考虑了降水在区域内的时空分布,综合检验方法评价模式通过对强降水总量、发生、发展的总体评价得出的结论更为准确客观,更加符合气象服务的实际需要。

     

2013年汛期华中区域业务数值模式降水预报检验

为充分了解华中区域中尺度业务数值预报模式更新为WRF后的预报性能,对该模式2013年汛期24 h和48 h的累积降水预报产品,采用TS评分、预报正确率、漏报率、空报率、偏差及ETS评分等统计量对其进行了较详细的评估。结果表明：从日平均降水率分布来看,24 h预报的降水中心位置和强度与实况更接近,48 h的预报明显偏大、偏强;汛期总体降水检验表明,该模式的降水预报以偏大为主,随着降水量级的增大,TS和ETS评分逐渐减小,且ETS评分逐渐靠近TS;逐月降水检验结果发现,该区域汛期月晴雨预报正确率与雨日率呈正相关;通过梅雨期WRF与GRAPES_Meso的预报对比检验可见,两个模式都表现出了较好的预报性能。值得指出的是,随着降水量级的增大,WRF模式降水预报优势逐渐显现。总的来说,该模式的降水预报产品具有一定的参考价值。     

北京地区中尺度数值业务预报的客观检验

对北京地区中尺度数值天气预报客观检验系统的框架和方法进行了详细的介绍,分析了北京地区冬季（2001年11月1日~2002年2月28日）主要预报要素的客观检验结果,在此基础上给出北京地区冬季中尺度数值预报业务的误差特征,并根据检验结果定性地分析了模式预报系统性和非系统性误差的可能来源。结果表明,模式地形的强迫作用是地面和对流层低层预报系统性误差的重要来源;测站高空预报要素的非系统性误差显著,初始时刻存在的误差在积分过程中被进一步放大;对北京 (54511) 单站地面要素预报的检验结果发现,2-m温度预报冬季整体偏低。在系统性误差为主要误差分量时对模式的平均误差进行订正能有效地提高温度预报的准确率。     

2016年乌鲁木齐区域数值天气预报系统预报性能客观检验

基于MET检验工具对乌鲁木齐区域数值天气预报系统DOGRAFS v1.0在2016年各季节中的预报性能进行客观检验评估,主要检验要素有2m温度、10m风、500hPa形势场等,并与2015年同期预报性能进行对比分析,结果表明：(1)2016年该系统对各个季节2m温度预报以冷偏差为主,午间偏低幅度较大;夏季性能最优,冬季性能最差。对10m风预报以正偏差为主,平均误差在1.0m/s以内;各季节预报性能无明显差异。(2)2016年该系统对500hPa位势高度和温度预报以负偏差为主;位势高度预报性能夏季最优、秋季最差;温度预报性能在夏季最优、冬季最差。24h预报时效的预报性能整体优于48h预报时效。(3)2016年晴雨预报效果较好,夏季降水评分最高、冬季最低。随降水阈值增大、TS评分降低,系统对夏季午后至夜间降水预报评分较高。(4)2015年各要素预报偏差的变化特征与2016年相似,2016年预报性能整体优于2015年。     

2006年汛期北京地区中尺度数值业务降水预报检验

采用北京地区自动站逐小时观测降水资料对2006年汛期北京地区中尺度数值业务降水预报效果进行了客观检验,并针对2006年汛期的降水特点对模式的降水预报性能进行了初步的评估,着重对发生的28次降水过程按其主导的天气系统进行了分类,并对各个类型的降水预报进行了评分检验,根据检验结果分析了数值业务模式对于夏季不同天气系统导致的降水过程的预报能力,并且对不同分辨率的模式网格的预报性能进行了初步对比。     

SWCWARMS模式对西南区域预报能力的检验

应用国家基本观测站资料,基于MET系统的客观统计检验方法,针对24h降水、近地面要素(2m温度、10m风)和高空要素(风场、温度场、高度场),分别评估SWCWARMS模式和GRAPES模式对2016年西南地区预报能力,得到如下几点结论:(1)SWCWARMS模式在中雨至暴雨预报上优于GRAPES模式,24h小雨和大暴雨、48h大暴雨预报较GRAPES模式偏差,同时SWCWARMS模式存在空报较多的问题;(2)SWCWARMS模式预报2米温度以低于实况为主,10m风速在秋冬季节以大于实况为主,SWCWARMS模式2m温度、10m纬向风和10m经向风4个季度平均RMSE均小于GRAPES模式,但8月月平均(72h)2m温度RMSE大于GRAPES模式,模式对近地面温度场预报优于10m风场;(3)两模式对高空温度场预报优于高度场和风场,SWCWARMS模式预报对流层中层高度场和温度场都偏低,在500h Pa上,除2月、11~12月(24h)外,其它月份和其它预报时效温度场RMSE均小于GRAPRS模式,春夏季高度场的预报优于GRAPRS模式,秋冬季RMSE大于GRAPRS模式;在850h Pa上,SWCWARMS模式预报风场春夏季误差小于GRAPES模式多于秋冬季,冬半年风场误差大于夏半年,RMSE大于GRAPES模式频次增加。     

陕西省中尺度模式降水预报效果检验

对2006年汛期AREMS、GRAPES、WRF模式的降水预报结果作每日定量检验和2006年汛期的主要大降水过程作定性检验。结果表明：WRF模式48h的预报效果要明显好于24h;各模式的小雨预报效果基本接近;AREMS和GRAPES对中雨以上量级预报时效主要在24h之内;AREMS在24h之内对中雨、大雨的预报效果好于GRAPES、WRF模式。定性检验显示,WRF对强降水的量级和降水中心落区有较好的参考意义;AREMS模式对系统性降水的雨带走向预报较好,雨带比实况略偏北,量级比实况偏小;GRAPES模式对强降水雨带走向预报与AREMS模式类似,但对各量级的降水预报范围偏大。     

中尺度数值模式业务预报系统

中尺度数值模式业务预报系统是在美国大气研究中心（NCAR）提供的中尺度数值模式（简称MMT）的基础上,结合当地的特殊地形和天气特点进行修改而完成的。系统采用T106资料作为第一猜测场,用实时资料作为初始场进行积分计算,预报未来48小时的天气情况。系统直接从省台的NT网上读取所需资料,计算结果以图形的格式存放在省台的NT网上。系统运行自动化程度高,计算稳定,预报结果较令人满意,为业务天气预报提供了客观定量的预报指标。     

乌鲁木齐区域高分辨率数值预报系统V2.0 预报性能客观检验

数值预报系统检验结果对预报产品的释用和系统的改进有着重要的作用。基于MET（Model Evaluation Tools）检验工具对乌鲁木齐区域高分辨率数值预报系统V2.0 (Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System—Central Asia V2.0,简称RMAPS-CA V2.0）在2021年各季节中的预报性能进行客观检验评估,主要检验了2m温度、10m风速、高空位势高度等要素,并与RMAPS-CA V1.0同期预报性能进行对比分析。（1）2m温度预报偏差在冬季和春季整体为负偏差,在夏季和秋季整体为正偏差;各个季节的平均预报偏差均在2℃以内,预报性能秋季最优,冬季最差。各个季节10m风速预报整体为正偏差且差异不大,平均误差在0.5-1.0 m/s之间,预报性能秋季最优,春季最差。（2）高空位势高度预报偏差在冬季整体为负偏差,在其余季节整体为正偏差,预报性能冬季最优,春季最差。高空风场预报偏差在冬季和春季400hPa以下为正偏差,400hPa以上为负偏差;夏季和秋季整体为负偏差,预报性能春季最优、夏季最差。高空温度场预报偏差在冬季整体为负偏差,其余季节整体为正偏差,预报性能春季最优、夏季最差。（3）降水晴雨预报效果较好,但除夏季外以空报为主;随降水阈值增大、TS评分减小,多以漏报为主,降水评分在冬季最高、夏季最低。从降水个例检验看,24h累计降水为大量和中量的国家站点预报性能有所提升,逐6h累计降水TS评分略有提升。（4）RMAPS-CA V2.0系统各要素预报偏差的变化特征与RMAPS-CA V1.0相似,预报能力整体上要优于RMAPS-CA V1.0。     

2010年国内外3种数值预报在东北地区的预报检验

对中国国家气象中心T639数值预报、德国降水预报和欧洲中心（ECMWF）数值预报中对中国东北地区的降水、温度和环流模式的预报结果,分别进行检验。结果表明：降水预报中,德国降水预报对中国东北地区的晴雨预报、一般性降水预报效果较好,但T639数值预报的漏报率明显低于德国降水预报,而T639数值预报中24-120 h暴雨预报的TS评分明显高于德国降水预报。温度预报中,T639数值预报对中国东北地区温度预报72 h内基本可用;欧洲中心（ECMWF）数值预报在96 h内效果较好。对于24 h的温度预报准确率,T639数值预报稍高于ECMWF数值预报结果。环流模式方面：48h内T639预报效果好于ECMWF,72 h以后ECMWF预报效果好于T639。     

基于不用分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计三个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2米温度、10米风速、降水预报的影响。结果表明：（1）提高分辨率对2米温度、10米风速模拟精度均有提高,2米温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10米风速预报精度提高约0.5 m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。（2）提高分辨率并调整物理参数化方案后,2米温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10米风速模拟误差增大约0.5 m/s,模拟偏差增大超过0.5 m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

A forecast error correction method in numerical weather prediction by using recent multiple-time evolution data

The initial value error and the imperfect numerical model are usually considered as error sources of numerical weather prediction (NWP). By using past multi-time observations and model output, this study proposes a method to estimate imperfect numerical model error. This method can be inversely estimated through expressing the model error as a Lagrange interpolation polynomial, while the coefficients of polynomial are determined by past model performance. However, for practical application in the full NWP model, it is necessary to determine the following criteria: (1) the length of past data sufficient for estimation of the model errors, (2) a proper method of estimating the term "model integration with the exact solution" when solving the inverse problem, and (3) the extent to which this scheme is sensitive to the observational errors. In this study, such issues are resolved using a simple linear model, and an advection-diffusion model is applied to discuss the sensitivity of the method to an artificial error source. The results indicate that the forecast errors can be largely reduced using the proposed method if the proper length of past data is chosen. To address the three problems, it is determined that (1) a few data limited by the order of the corrector can be used, (2) trapezoidal approximation can be employed to estimate the "term" in this study; however, a more accurate method should be explored for an operational NWP model, and (3) the correction is sensitive to observational error.     

东北冷涡数值预报系统建立与业务应用

东北冷涡强降水一直是东北地区气象预报的难点和重点。从提高东北冷涡降水数值预报质量着手,选择模式中可能对东北冷涡强对流有影响的不同辐射方案、边界层方案和积云参数化方案等多种物理过程,对东北冷涡降水预报的性能进行批量试验;利用天气学检验方法,选择预报结果较好的RRTM长波辐射方案、Gayno Seaman边界层方案、Grell积云参数化方案和混合相湿过程显式方案等物理方案,组合建立了东北冷涡数值预报系统。经检验表明：系统对东北冷涡降水预报的水平较东北区域中尺度数值预报业务系统有所提高。同时利用天气学检验方法,从降水预报的强度、落区和移速等方面着手,评估东北冷涡数值预报产品对冷涡降水预报的性能和系统误差,得出降水强度易偏强、落区易偏西偏南和范围易偏小等定性结论,可直接应用于预报业务,取得了较好的应用效果。     

数值天气预报中的不一致性问题综述

近年来随着数值天气预报的不断发展,数值天气预报中出现了一个新的值得注意的问题:预报不一致性,即连续多次预报中,前后两次预报所做出的预报结果之间差异较大的现象。本文较系统地概述了这一问题,总结了预报不一致性的概念、定量分析方法、产生的可能原因及其与预报误差的关系等方面的研究成果。目前预报不一致性的定量分析方法还较少,其适用性和客观性等还需进一步研究。在预报不一致性产生的原因方面,现有的研究仅限于理论上的简要分析,初始误差和模式误差在预报不一致性形成过程中的具体作用等尚不清楚。最后阐述了在预报不一致性研究中存在的一些问题及可能的研究方向。     

业务模式晴雨预报能力分析及其改进方法研究

以欧洲中心全球预报模式和中国华南区域中尺度模式(GZ 3 km)为例分析了2019年中国南方逐日晴雨预报的情况,并讨论模式晴雨预报的性能。借助TS检验评估方法,在与简单外推预报等的比较中,发现模式雨量预报特点及模式晴雨预报的统计规律,如两个模式同时预报晴天,或者模式预报有雨且降水量大于某阈值等情况,其预报准确率非常高;而对于两个模式预报不一致,或模式预报有雨且雨量较小等情况,则存在较大不确定性。基于上述研究,提出利用模式预报改进观测外推和利用观测与模式的频率匹配改进模式预报等方法。     

新世纪初我国数值天气预报的科技创新研究

概要介绍最近5年在国家科技攻关项目“中国气象数值预报系统科技创新研究”框架内所取得的主要成果，重点是卫星等遥感资料在变分同化中的应用，高分辨非静力数值预报模式的发展，全球资料同化与中期数值天气预报系统的发展，数值天气预报系统的模块化与并行计算，数值天气预报新技术的研究等，并扼要介绍我国新一代数值天气预报系统的业务应用试验。最后，对我国数值天气预报的进一步发展做了讨论。     

中国数值天气预报的自主创新发展

数值天气预报是天气预报业务和防灾、减灾的核心科技。中国数值天气预报研究和业务应用一直受到高度重视,在理论、方法和数值模式研究方面取得了有广泛国际影响的研究成果。在回顾新中国数值天气预报自主创新研究成果的基础上,重点对GRAPES(Global Regional Assimilation and PrEdiction System)半隐式半拉格朗日格点模式与物理过程的研发和业务应用的状况以及所取得的重要科学进展进行了综述。近年来,通过自主研发建立了中国数值天气预报业务体系—GRAPES体系。首次以自主技术实现了从区域3—10 km到全球25—50 km分辨率的确定性预报和集合预报系统,并在模式动力框架、四维变分同化和卫星资料同化技术等方面有所突破,建立了大气化学数值天气预报、台风数值预报和海浪预报等系统。自主研发的数值天气预报体系的建立是长期坚持既定科学技术方向以及研究和业务紧密结合、经验不断积累的结果,是中国自主发展数值天气预报技术的重要起点。     

GTS同化对DOGRAFS预报新疆区域一次特大暴雪的影响

受欧洲脊发展和乌拉尔低槽东移影响,2015年12月9日20时到12月13日08时,新疆大部出现了大暴雪、寒潮和大风天气过程,其中乌鲁木齐、米东区、小渠子、白杨沟等站日降雪量均突破当日历史记录值。为定量评估新疆数值天气预报业务系统DOGRAFS(DesertOasis-Gobi Rapid AnalysisForecast System)对此次暴雪过程的预报准确率,以NCEP的GFS(Global Forecast System)预报场作为背景场,基于WRFv3.5.1和WRFDAv3.5.1同化WMO的常规观测资料GTS(Global Telecommunications System)进行积分预报。结果表明,DOGRAFS预报的逐24 h累计降水在北疆的落区和量级均与实况接近,GTS同化对暴雪极值中心乌鲁木齐站的逐1 h降水预报为负效果。对DOGRAFS预报区域内的所有站点而言,2 m温度预报的平均偏差在-3~4.2℃,绝对偏差在-1.6~2.5℃。高空温度场预报的绝对误差小于3.5℃。加入GTS后,乌鲁木齐站温度预报偏差大幅度增大,预报效果明显变差,不同化GTS预报的乌鲁木齐单站逐小时2 m温度及其变化趋势与实况非常接近。