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客观综合预报方法及集合预报简介 龚建福2011 5南京 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 多元决策加权法 数学原理设预报对象u u1 u2 um 预报技术方法v v1 v2 vn 概率预报集pi pi1 pi2 pim i 1 n 由n种方法对m个等级的概率预报矩阵 从历史资料统计各种技术方法的预报准确率为Wi 0 i 1 n 有W W1 W2 Wn 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 经规一化处理 使应用模糊变换原理 由各单种技术方法预报作出一个综合的概率预报矢量 B b1 b2 bm W P其中就是概率预报的加权平均 权重函数为W取其中极大者bk max bj j 1 2 m 所对应的等级k作为最终的决策 即综合预报结果 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 例解 安徽省台暴雨集成预报方法预报对象 暴雨 一个等级 技术方法 4种 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 例解 安徽省台暴雨集成预报方法 数值产品释用预报ECMWF0 24 48小时预报资料 按 距离加权平均法 插值到每个格点上 计算每个格点8项指标 每满足一条指标就累加1 8的几率 得出每个格点的概率预报P1值 绘出第一张概率预报图 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 例解 安徽省台暴雨集成预报方法 物理量诊断分析预报统计出7条指标 每满足一条指标累加1 7几率 得出每个格点的概率预报P2值 绘出第二张概率预报图 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法安徽97年7月2日08时 3日08时的暴雨预报概率图与降水量实况分布 a 数值预报产品释用预报b 物理量诊断分析预报 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 例解 安徽省台暴雨集成预报方法 卫星云图定量分析预报p3 A0 B0 A0 B0 At Bt 300式中 A表示每个格点周围50 50范围内的灰度平均值B表示灰度值大于等于220的格点数A B表示暴雨的预报因子下标0表示离预报最近的云图时间 下标t表示前t小时云图 预报员经验预报 综上4种方法 有W 75 75 65 65 P 75P1 75P2 65P3 65P4 280 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法安徽97年7月2日08时 3日08时的暴雨预报概率图与降水量实况分布 c 卫星云图定量分析预报d 预报员经验预报 7 4客观综合预报方法 集成预报 图e 根据近年来各种方法的预报准确率情况 将各自预报的准确率换算成权重系数 W 75 75 65 65 每个格点的综合预报方程即为 P 75P1 75P2 65P3 65P4 280 第七章综合分析与预报 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法安徽97年7月2日08时 3日08时的暴雨预报概率图与降水量实况分布 e 集成预报f 实况降水量分布 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 福建省气候概况春季是我省阴湿多雨的季节 就降水的性质与强度区分 包括两个气候阶段 3 4月称春雨期 5 6月称霉雨期 3 4月份还是我省降雹高峰期 夏季7 9月 常见的天气类型有三种 第一种是副热带高压控制下的晴热干旱天气 第二种是台风袭击下的狂风暴雨天气 第三种是辐合区制约下的局部或区域性雷雨天气 秋季10 11月 福建秋季既受热带天气系统侵袭 又受到西风带系统影响 主要灾害是热带气旋或热带气旋和冷空气共同作用下的天气 9月底10月初 冷空气南侵的纬度扩展 我省出现寒露风 10月下旬 在强冷空气下 闽江西北可能出现初霜 秋季由于南海常有副热带高压单体存在 我省高空多为偏西北气流所控制 天气易于连晴 所以是一个相对的少雨季节 冬季12月 次年2月 冬季冷空气活动周期 在正常情况下 大约5 7天 每次冷空气入侵时 气温连续下降2 3天 以后又连续回升3 4天 紧接着下一次冷空气又来 三寒四暖 循环不止 每年均有几次强冷空气侵入 造成较剧烈降温 但达到寒潮标准的 平均每年不过2次 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 7 4客观综合预报方法 局地气象条件分析 气团指标 K指数 K T850 T500 Td850 T Td 700 T LnP图对流性不稳定或位势不稳定的判据 对流性不稳定层结中性层结对流性稳定层结 单站高空风 分析冷暖平流 垂直稳定度等 地形影响 迎风坡 背风坡峡谷风 山谷风 海陆风等 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 根据影响系统的类型和具体影响部位的分析判断 数值预报产品对降水的预报及上一级指导预报意见 作出本地区降水量和降水形式的预计 本地区具体影响系统及影响部位垂直运动 预报季节气候 水汽 局地不稳定 判断暴雨的形成条件 7 4客观综合预报方法 1 卫星云图 2 低空水汽通量辅合区很大 3 相应的天气尺度系统中高空冷平流和低层冷平流有利于不稳定层结发展和维持 4 天气系统中风的垂直切变较弱 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 判断冰雹的形成条件1 雷达回波云顶高度可达13km以上 2 0C层在4km左右 20度层约在400hPa 其间厚度不大 3 根据冰雹形成条件 由空气稳定性判断 研究存在以下统计关系 冰雹直径约3cm 冰雹直径约12cm 可能产生龙卷风 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 判断降雪和冻雨的形成条件1 若云中温度和云底以下温度低于0度 将降雪 2 若云体内下半部温度高于0度 而云底以下温度低于0度 可能降冻雨 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 降水 暴雨 雨凇的预报 雨淞预报雨凇形成的基本条件是 降水云体中在850hPa及其以下有过冷却雨层 温度略低于0 700hPa及附近有暖的融化层 温度略高于0 而在500hPa附近为冰晶层 温度约为 10 14 其中高空冰晶层在冬季常可出现 我国易形成雨凇的地形背景是西高东低 特别是北 西 南三面环山 而向东敞口的盆地 这有利于冷空气从东侧低层进入盆地 构成冷空气垫而暖空气从西南部上空移过 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 云雾的预报较常见的雾是辐射雾和平流雾两种 辐射雾是由夜间辐射降温引起近地面气层水汽凝结而成的 平流雾则是因为暖湿空气平流到较冷的下垫面上 空气变冷水汽凝结成雾 预报雾需根据当地特点 统计归纳自行的预报指标 一般预报考虑的思路为 空气中的水汽含量足够多 一般要求相对湿度大于75 降温幅度足够大 夜间无云或少云将会引起大的辐射降温 或者下垫面空气与移来的空气气团之间的温差足够大 风速足够小 因风速大会导致空气中能量的迅速传播 气团之间的性质趋近 不利于雾的形成 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 极端气温 霜冻 寒露风及干旱风的预报 极端气温平流 辐射 变性 霜冻我国一般把地表最低温度达到零度以下作为霜冻标准 其预报思路同最低气温的预报 通常以最低温度的预报加上夜间不同天气条件下地表最低温度与最低气温的差值来预报 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 极端气温 霜冻 寒露风及干旱风的预报 寒露风的预报 各地对寒露风成灾的标准划分也因自然背景不同而有差异 一般指日平均气温 20 0 23 0 日数 3天的天气过程 或虽持续时间不到3天 但最低气温 15 0 相对湿度 30 最大风力 5级的天气 对寒露风的预报同秋季对冷空气的预报 干热风的预报对干热风的预报的一般思路同最高温度预报思路 但在最高温度预报的基础上需侧重注意以下两点 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 极端气温 霜冻 寒露风及干旱风的预报 干热风的预报 天气过程的形势演变 一般是在冷空气南下而北方无明显降水过程之后 北方处在高空槽后高压脊的控制下 并有明显的暖平流 地面或850hPa温度场出现北方暖 南方冷的局面 气压场转为南高北低的形势 暖平流达到一定的强度 在这种环流背景下 高空暖空气下沉增温 近地面晴空辐射增温 两者共同作用便形成干热风天气并维持 直到有新的冷空气入侵才告结束 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 风的预报 按地转风原理和梯度风原理 估计近似值 这一项取决于影响系统的气压场 考虑下垫面摩擦作用 陆地上风向偏向低压一侧30 45度 风速约为地转风的一半 海面上风向偏向低压一侧约15度 风速约是地转风的2 3 考虑变压风影响 变压风沿变压场梯度方向吹 风速与变压梯度大小成正比 冷锋后的最大风速常常出现在正变压中心附近变压梯度最大的区域 7 4客观综合预报方法 第七章综合分析与预报 风的预报 考虑热力环流的影响 一是迎风坡的强迫抬升 背风坡强迫下沉作用 二是狭管效应使风向与山谷走向一致 风速明显增大 或者对数值预报产品和上级指导预报 加上考虑当地地形和下垫面热力差异影响 进行判断和订正 对上述各影响因素的具体估计 尤其是对于当地大风天气的预报 还需要各地自行统计归纳适宜的预报指标 7 4客观综合预报方法 集合预报及其应用简介 EnsembleForecasting Prediction ensemble n 全体 剧团 联合演出人员 合奏曲 系综 系综 ensemble 在一定的宏观条件下 大量性质和结构完全相同的 处于各种运动状态的 各自独立的系统的集合 集合预报 集成预报 系综预报EnsemblePredictionSystem EPS 集合预报系统 数值天气预报 NWP 的成功是20世纪最重要的科学 技术和社会成就之一 随着计算技术和数值预报理论 方法的发展 数值预报技术体系已经日臻成熟 建立了系统的数值预报理论和业务应用流程 过去25年来 数值天气预报的技巧有明显提高 至少是每十年增加1天 数值天气预报的发展 1955 2000年北美地区数值天气预报预报技巧的演变 NCEP500hPa高度场S1评分 高影响天气预报的准确率需要提高 高影响天气是指对社会 经济和环境产生重大影响的天气现象与事件 高影响天气事件的发生是小概率事件 但其后果可能是灾难性的 改进高影响天气的预报技巧是21世纪面临的重大科学与社会挑战之一 预报时效需要从7天扩展到14天 达到中短期天气预报的极限值 然后再进一步与气候预报相衔接 共同解决2周到几周的天气预报 这是目前无缝隙预报的主要问题 目前天气预报面临的问题 数值天气预报的不确定性 初始条件不确定性 初始误差随时间增长 3 5天时误差翻倍 小的误差增长更快 模式不确定性 模式中表征物理过程或计算近似造成的不确定性 也称模式误差 求解的数值近似与次网格过程的参数化造成 固有不确定性 主要由有限模式分辨率产生 也称剩余不确定性 不论谱模式或格点模式 由离散网格点代替连续时空的计算方法都会带来一定误差 严格求解不可能 集合预报技术成为一个变通办法 集合预报概念的PDF描述 解决初值条件误差和模式误差的途径是使用集合预报系统 EPS 来估计可能预报结果发生的概率 EPS不确定性可由概率密度函数 PDF 表征 它是由不同集合成员构成的频率分布 初始不确定性 初始状态的可能分布 单一确定性预报 实况 集合成员 预报不确定性 预报状态的可能分布 用PDF变化来描述的集合预报概念图 引自ECMWFNewsletter 集合预报概念的PDF描述 集合预报 数值模式A 数值模式B 数值模式A 数值模式A 数值模式C 数值模式A 初始条件1 初始条件3 初始条件2 初始条件4 初始条件5 初始条件6 集合预报示意图 集合预报的分类 按照不确定性的来源 初值集合 经典集合预报方法 对初始场进行扰动 反映初值不确定性 物理集合 对模式内部的物理过程如物理参数化方案 外强迫等进行改动 反映模式不确定性 多模式集合 把不同模式用初值集合或物理集合制作的集合预报结果再进行集合 Poor man 集合预报系统和超级集合预报系统也属于此类 按照时间尺度可分为 短期 中期 月动力延伸和气候预测 集合预报系统 集合预报系统流程图 初始扰动生成 数值预报模式 集合预报产品 预报检验评价 考虑初始状态不确定性 考虑模式不确定性 提供浓缩信息 为用户使用系统和改进系统提供依据 集合预报系统与传统预报系统 传统预报系统流程图 新的考虑目标观测的集合预报系统流程图 集合预报的意义 平均值 集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它集合预报成员的预报技巧 一周以后 均值的预报技巧甚至超过确定性的业务预报模式的技巧 方差 集合预报离散度 集合预报方差是控制预报或确定性的业务预报可靠程度的度量 这是集合预报最重要的应用 天气事件发生概率 集合预报可方便地确定某一天气现象发生的概率 对极端事件的预报能力 增加了对极端事件的预报能力 五天以后 集合预报平均值的技巧超过控制预报和确定性业务预报的技巧 全球500hPa距平相关系数 ECMWF集合预报平均 绿 业务模式TL511 红 控制预报TL255 蓝 和UK全球模式 黄 集合预报的发展与现状 集合预报方法的提出与发展 1960 1970年代 Epstein和Leith提出了集合预报思想和方法 采用MonteCarlo随机扰动方法 1983年 Hoffman提出LAF 滞后平均 方法 NCEP和ECMWF分别于1992 1994年基于BGM和SV方法建立了各自的集合预报业务系统 CMC基于PO 扰动观测方法 建立了其集合预报业务系统 从中期中高纬集合预报开始 逐步向包括热带地区的短期 月动力延伸和气候预测发展 集合预报应用现状 中期集合预报方面最为成熟 短期预报和气候预测方面也开始广泛应用 NCEP已建立了短期集合预报系统 SREF 以美国NCEP 欧洲ECMWF和加拿大MSC为代表 这三个中心使用各自开发的初始扰动方法和模式 中国采用ECMWF的SV方法构建EPS 日本 南非等国使用NCEP的BV方法构建EPS 集合预报应用现状 NCEP ECMWF和MSC EPS的集合平均预报效果检验结果 中国集合预报研究应用现状 国家气象中心于1996年采用LAF方法建立了第一代中期集合预报系统 T63L16 1999年采用SV方法 T21L16 建立了第二代中期集合预报系统 T63L16 1999年年底采用SV方法 T21L19 建立了第二代中期集合预报系统 T106L19 投入准业务运行 解放军理工大学也在开展中期集合预报研究 基于GRAPES模式的集合预报系统 中国集合预报研究应用现状 龚建东 李维京等开展了动力延伸集合预报初值形成的研究 张永山 杨辉 陈丽娟等对月动力延伸集合预报产品的信息提取及解释应用等进行了研究 1993年起 中科院大气所曾庆存等在短期气候预测上采用集合预测方法 用以减少预测结果对初始场误差的敏感性 赵彦 郭裕福使用IAPL2AGCM1 1模式对短期气候数值预报中的集合个数问题进行了研究 袁重光等对气候预测中的集合方法进行了探讨 中国集合预报研究应用现状 王晨稀 端义宏利用MM5模式通过选择模式的积云参数化方案和边界层参数化方案对不同的降水预报成员进行了集合平均预报和概率预报 周霞琼等首先用正压模式进行了热带气旋 TC 路径集合预报试验 陈静 薛纪善等用MM5模式进行了华南中尺度暴雨数值预报的集合预报试验 中国集合预报研究应用现状 初始扰动生成原理与方法 几种初始扰动产生的方法 随机方法时间滞后方法增长模培育法 NCEP方法 BGM BV 奇异向量方法 ECMWF方法 SV 扰动观测方法 CMC方法 PO 主要问题 大气动力系统相空间的维数很高 但初始扰动的个数是相当有限的 另外 模式本身也有不确定性 需要对物理过程加扰动 集合预报产品 主要的集合预报产品 集合平均与均方差RMOP 面条 图 邮票 图分簇图概率分布平面图极端天气分布图单点要素时间序列图Meteogram台风路径概率预报 集合平均和离散度 描述概率密度函数特性的两个重要参量 均值 集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它集合预报成员的预报技巧 一周以后 均值的预报技巧甚至超过确定性的业务预报模式的技巧 方差 集合预报离散度 集合预报方差是控制预报或确定性的业务预报可靠程度的度量 这是集合预报最重要的应用 面条 图 5640米 1995年11月15日12时 面条 图 5640米 面条 图 a 5天预报 结束时间1995年11月15日 b 3天预报 结束时间1995年10月21日 等高线 5640米 分簇图 把在某些方面具有相似特征的集合预报成员分成几种具有不同天气意义的簇 为预报员提供形势演变趋势及其出现的相对频率 一般簇内成员越多 该簇的预报技巧越高 针对分簇的研究较多 主要集中于分簇的标准与方法的研究 其方法有非系统聚类和系统聚类两类 包括Ward聚类 距平相关逐步聚类 种子场聚类 重心聚类 管形聚类 位移和最大相关距离聚类等 500hPa高度场轨迹分类图 5 7天 属于第一类的成员数为15 第二类为9 第三类为9 使用ACC逐步聚类法得到的500hPa高度场集合预报分簇平均图 预报时间 1999年11月1日00时