一种基于分数技巧评分定义的降水预报跳跃指数及其应用

基于CMA-BJ系统提供的2021年8月9日2套降水预报结果(业务数值预报模式和同化试验结果)和2022年6月4日、2023年9月17日的业务数值预报模式结果,结合定性分析,利用4种客观评价指标(不确定度、均方根误差、不一致指数和基于分数技巧评分(FSS)定义的预报跳跃指数)对该系统降水预报不一致特征进行了定量评估。3次降水过程的分析结果显示:预报跳跃指数不仅可以识别出2021年8月9日和2022年6月4日业务数值预报模式结果中降水量预报明显减小的3个预报时次,而且对于降水过程预报相对稳定的个例(2021年8月9日同化试验和2023年9月17日业务预报结果),随着预报时次逐渐临近最新预报,该指数整体呈现波动上升或者数值较大、波动较小的特征,表明15个连续降水预报特征逐渐与最新预报趋于一致或者大体相似,与定性分析结果相对吻合。其他3种指数对于降水预报不一致问题的表征存在不足,不确定度和均方根误差显著受到预报降水量的影响,同时不确定度不能反映预报不一致的时间特征,不一致指数随预报时次逐时滚动变化较大,确定的预报不一致时次较多,与定性分析结果存在明显偏差。

湿Q矢量释用技术在登陆华东台风定量降水预报(QPF)中的应用研究

利用湿Q矢量对数值预报模式输出的风场、温度场、温度露点场进行动力释用,并考虑地形强迫作用,得到一个独立于数值模式直接预报输出降水场的释用预报降水场即湿Q矢量释用(Q^MVIP)技术。结合2010—2014年汛期(6—9月)登陆我国华东14个历史台风降水实况资料以及华东区域中尺度模式(基于WRF V3.1)(简称WRF模式)预报产品,统计检验分析了Q^MVIP技术对登陆台风降水的定量预报能力。结果表明,Q^MVIP技术较WRF模式明显改善了对25.0 mm·(24 h)^(-1)以上及50.0 mm·(24 h)^(-1)以上降水的定量预报能力。进一步结合"菲特"台风(2013)登陆前后所引发的24 h累积降水场进行比较分析发现,Q^MVIP技术对台风暴雨落区、强度的反映能力均优于WRF模式。这表明,湿Q矢量释用技术可以在一定程度上弥补现有数值预报模式对登陆台风定量降水预报(QPF)能力的不足。

一种联合历史和实时资料的定量降水短时预报技术研究

本文提出一种基于百分位映射,使用实时和历史资料联合订正模式定量降水短时订正预报技术,并与仅使用历史资料或实时资料的订正效果进行对比。结果表明:三种方案均能有效订正模式原始降水预报偏差,提高0~12 h降水预报准确率。对于晴雨预报,采用联合订正方案,预报效果最优。在0~7 h预报时效内,仅采用实时资料的订正方案准确率明显优于仅采用历史资料的订正方案,在8~12 h预报时效内,后者准确率稍高。所有预报时效内,仅采用实时资料的订正方案降水预报范围较仅采用历史资料的方案略偏大。对于较强降水预报,采用联合订正方案准确率为三种方案最优,仅采用实时资料的方案预报准确率虽优于仅采用历史资料的方案,但预报范围及量级较实况明显偏大。

基于雷达外推临近预报和中尺度数值预报融合技术的短时定量降水预报试验

为克服目前中尺度数值模式在对流尺度定量降水短时预报方面的不足,弥补基于"外推"的临近预报技术在2 h以上定量降水预报能力方面的缺陷,研究设计了一种基于"外推"临近预报技术和中尺度数值模式的定量降水预报(QPF)融合技术方案,并进行了试验应用。该方案首先基于雷达探测和自动气象站观测的定量降水估计(QPE)结果,对中尺度数值模式输出的定量降水预报在谱空间进行相位校正,分析计算出数值预报和观测的偏差,导出一个附加的数值预报校正场;其次,根据数值预报校正场满足一定时间变化分布的特征,调整相应时段的数值预报降水区域和强度;最后,利用双曲正切线权重函数,对校正后的数值模式定量降水预报和基于临近预报技术的定量降水预报进行融合,融合权重根据典型环流特征动态变化。融合后的定量降水预报在前1-2 h表现出主要依赖"外推"临近预报结果,之后随着融合权重的变化,数值预报对融合结果的贡献逐渐加大,直至融合后5-6 h占主导地位。通过对京津冀地区2011年夏季5个及2012年夏季2个典型强降水个例的80次预报试验及其检验,表明融合后的0-6 h定量降水预报结果改进较为明显,总体优于单独的临近预报技术或者中尺度数值预报模式的结果。

定量降水预报与水文模型耦合的中小流域汛期洪水预报试验

预见期内的降水量直接影响着洪水预报的精度,预见期愈长,预见期内的降雨对预报值影响愈大,预见期内的降雨越来越被人们重视。本文以湖北省漳河水库流域为例,利用中尺度数值模式(AREM模式)的预报降雨信息,作为洪水预见期内的降雨,输入新安江模型,对流域2008年汛期典型洪水过程进行预报测试,结果表明考虑预见期内的降雨相对于未考虑预见期降雨对洪水预报结果提高具有明显的优势。研究表明中尺度暴雨模式预报技术在水文预报学的应用具有广阔的发展空间。

联合雷达网和卫星定量监测与预报长江流域大范围降水

在吸取欧洲国际雷达网以及英国ＮＩＭＲＯＤ系统先进经验的基础上，根据我国实情，以长江中游数字化雷达网和ＧＭＳ卫星为主要技术手段，并结合数值风场预报，研制成大范围降水实时定量监测和预报的自动化系统ＬＡＲＯＲＡＳ．研究成功定量测估长江流域大范围降水累积量的实时处理技术，其产品对防汛抗洪和大型水库工程建设具有重大应用价值．

模式水平分辨率对梅雨锋降水定量预报的影响

利用三维非静力平衡中尺度/云模式对1999年6月23日08时24日08时江淮地区一次梅雨锋系统降水过程进行了五种不同水平分辨率的数值模拟试验。模拟结果表明,提高模式水平分辨率,明显提高了大到暴雨的定量预报(大于25mm和大于50mm)的精度;但研究发现,这种精度的改进随着水平分辨率的进一步提高存在明显的阈界,即在水平分辨率提高到18公里以后,再提高水平分辨率,对暴雨预报成功率的改进幅度不大,因此,对于梅雨锋雨带中尺度强降水的业务预报,将模式水平分辨率提高到18公里比较适宜。

一种定量降水预报误差检验技术及其应用

面向对象检验技术是定量降水预报误差分析方法之一,通过对某一降水过程进行分离,实现对其落区、量级等预报误差的定量化分析。基于面向对象的检验方法和天气系统识别技术,本文利用实况观测资料、ECMWF全球数值模式产品,以2012年汛期西南地区5个典型强降水天气过程作为检验对象,对其降水及天气尺度影响系统1～10 d模式预报误差进行了定量化分析。分析表明:在中短期时效内,模式均对西南地区雨带位置预报偏北、偏西,中期时效内偏差更显著,雨带主轴上70%以上的点预报较实况偏北在2°以内,偏西约3°以内;预报的大雨及以上量级降水量较实况偏弱;模式1～2 d预报的极值分布与实况较为接近,随着预报时效延长,预报的极值较实况明显偏小;模式预报的小雨及以下量级的降水范围较实况偏大,对大雨以上量级的降水范围较实况明显偏小。对于四川盆地而言,预报的切变线较零场偏西0.5°～3°。低空急流预报偏西0.5°～1.5°;低空急流强度预报偏差具有季节差异。

湿Q矢量释用技术及其在定量降水预报中的应用

新发展了一种湿Q矢量释用技术:利用松弛法迭代求解以非地转干Q矢量散度为强迫项的方程得到垂直运动场ω1,然后由ω1计算湿Q矢量散度场,接着再利用松弛法迭代求解以湿Q矢量散度场为强迫项的ω方程得到垂直运动ω2,最后由ω2结合水汽条件进行降水量计算,得到湿Q矢量释用降水场。结合一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程研究表明,湿Q矢量释用降水场对同期观测降水场水平分布特征、极端降水强度都具有一定的反映能力,反映出湿Q矢量释用技术具备实际应用的可行性和一定合理性。将此释用技术应用于华东区域数值预报模式(基于MM5 V3.6而建立,以下简称MM5)产品,得到湿Q矢量释用定量降水预报(QPF)场,其独立于模式本身输出的QPF场,但与模式QPF场具有相同的时空分辨率。针对2004年6—8月汛期华东地区一次梅雨锋降水过程和一次登陆台风降水过程,结合实况雨量资料,比较分析了湿Q矢量释用QPF场和MM5模式QPF场对实际观测降水场的反映能力,结果表明,前者对有无降水、10.0 mm/24 h以上明显降水的反映能力明显优于后者。进一步进行预报统计检验表明,湿Q矢量释用预报有无降水、小雨及10.0 mm/24 h以上降水的TS评分、正确率都明显高于MM5模式,而漏报率、空报率则是前者明显低于后者。这也充分反映出湿Q矢量释用技术应用于QPF研究的有效性。最后,探讨了数值预报产品释用技术对数值预报模式性能的依赖性,并指出未来对湿Q矢量释用技术进一步改进的方向及其广泛应用前景。

短期集合预报中定量降水预报集合方法初探

针对短期集合预报中集合平均等方法对极端天气事件预报能力低下的缺陷,提出一种定量降水预报集合方法,简称两步法。该方法首先采用逐级归并法确定集合成员的总体相似度,进而确定集合成员预报场的延伸半径,对各成员的预报场进行修正,然后根据每个成员与其他成员的相似程度,确定各成员的权重系数。这个方法既考虑了集合成员总体的差异性又考虑了降水的概率分布。试验证明,通过上述两步得到的定量降水预报,对提高极端天气事件的预报确率有一定效果。本方法无需历史资料,能很好适应集合成员的改变,实现方便快捷。

2016—2020年广东省定量降水预报检验评估

对2016—2020年全球模式ECMWF和区域模式GZ_GRAPES、基于模式的解释应用和广东省气象局发布的定量降水预报(QPF)进行检验和评估。结果表明:ECMWF和GZ_GRAPES模式对一般性降水预报技巧在逐年提升,对大雨或以上的降水预报技巧的提升缓慢。GZ_GRAPES对大雨以上降水的预报技巧和定量降水预报的精细时空分布均优于ECMWF,区域模式更易预报出中小尺度降水信息。分类暴雨评定表明,模式对台风暴雨预报最好、锋面暴雨次之、季风暴雨预报最差。模式的暴雨预报落区偏小、低估明显,预报员通过经验订正明显提升了暴雨预报评分,其中季风暴雨的订正量最大,但存在预报范围偏大、空报较高的问题。基于ECMWF集合预报的解释应用与预报员的定量降水预报能力相当,降水越强,解释应用技术的优势越明显,但对季风暴雨也存在严重低估或漏报。目前降水精细时空分布、季风暴雨、极端性暴雨等依然靠预报员的经验订正为主,随着集合预报模式和区域高分辨率模式能力的提升,将预报经验客观化并与数值预报解释应用技术结合是提升QPF的一个方向。

SWAN中定量降水估测和预报产品的检验与误差分析

采用2010—2011年5—9月河南省区域加密自动站雨量和全省6部新一代天气雷达资料,用点对点统计检验评分方法,分析SWAN系统中定量降水估测(QPE)和定量降水预报(QPF)产品在河南省短时强降水过程中的误差分布,并分别讨论二者在河南省区域与局地强降水过程中的差别及产生误差的直观原因。结果表明:1)SWAN中QPE和QPF均对小时雨量低于10 mm的降水有较好的估测和预报能力;QPE以豫西南和豫北效果最好,QPF在豫中地区预报能力更强。QPE估测较实况偏大;QPF对小时雨量低于20 mm的短时强降水预报略偏大,而对更强降水预报偏小,尤以豫西和豫南最明显。2)QPE和QPF均对区域性降水有更好的估测或预报能力。3)区域降水过程中,QPE对降水中心范围和位置估测较准确,估测值较实况偏大;QPF对强降水中心位置预报略有偏差,其中心强度较实况偏弱。

登陆台风短时定量降水预报方法初探

利用登陆台风的GMS-5 IR1 TBB资料及地面自动站逐时雨量资料,初步建立了适用于登陆台风的定量降水估计（QPE）方法,基于QPE结果,采用外推法,初步实现了对登陆台风未来0～3 h的短时定量降水预报（QPF）.应用于0104号登陆台风“尤特”和0414号登陆台风“云娜”两个例表明：对单站逐小时雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,0、1、2、3 h的QPF准确率分别达20%～70%、30%～80%、30%～70%、20%～60%;对于单站过程雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,0、1、2、3 h的QPF准确率基本都达60%～80%;对未来0～3 h的面雨量也具有一定定量预报能力.0～3 h QPF结果对实际短时登陆台风降水业务预报工作具有一定的参考价值.

三种数值预报产品短期强降水预报定量误差评估

利用误差分析和累计降水检验的方法,对日本、德国、T213三种数值预报模式在强降水过程中的预报进行了统计和比较,并分析了强降水过程中日本模式的预报定量误差。结果表明:三模式产品在强降水过程预报中预报值基本上小于实况,而且随着实况量级的增加,预报偏小的次数增多。其中日本模式的预报最为稳定,且结果较接近实况,为解释应用提供了依据和数据参考。

定量降水预报技术研究进展

定量降水预报(QPF)是天气预报最重要的业务之一。对21世纪以来QPF的国内外业务现状、集合概率预报技术、短时临近预报技术、检验技术以及订正技术等做了简要综述,初步总结了各类研究所取得的主要进展,包括:QPF准确率的稳步提高得益于数值模式的持续发展,以及预报员对于模式产品的应用订正能力的不断提高;以数值集合预报为基础的概率QPF(PQPF)为用户提供预报不确定性信息,是一种更为科学的天气预报形式;另外,数值模式的实时天气学检验及订正技术的发展为"增加预报员的附加价值"提供有力支撑。最后,提出了目前QPF研究存在的主要问题和需要加强的几个研究方向,分别是:(1)进一步加强数值模式对于大气水汽场的同化和模拟,采用新的模型来描述下垫面与边界层之间的水汽交换,以及大气中真实云和降水物理过程;(2)降水观测和预报的随机特点还没有被充分考虑,需要进一步研究不同时空尺度上的模式预报能力,发展有效的QPF订正技术方法;(3)对于PQPF还存在着理解上的困难和误区,如何将预报不确定性信息传递给用户需要进一步研究;(4)短时临近QPF应由雷达回波外推方法向结合数值模式预报的混合外推技术转变,提高对对流降水系统的预报能力;(5)针对传统的统计评分检验方法的不足,应引入新的QPF检验技术方法,但新方法的解释应用还需不断地积累经验。

基于强度尺度法的雷达和数值模式定量降水预报检验对比

为提高雷达外推和数值模式对短临预报能力的认识，采用强度尺度方法对比检验了2012年浙江省梅汛期内的雷达外推和WRF、T639、ECMWF4类定量降水预报（QPF）产品。检验结果表明：短临预报的大部分误差来自较小的时空尺度，在强降水方面表现尤为明显。对于雷达和模式的预报能力交叉点（3h前后）的QPF检验，雷达的误差比率随着空间尺度增大先减后增，而模式随尺度增大误差比率总体递减。在中小尺度（2°及以下）雷达总体较准确，但0．25°尺度是个特例，在较大尺度（4°及以上1的弱降水上雷达不如模式。雷达在0．5°、1°尺度上相对误差贡献最少；在2°、4°尺度下，ECMWF表现最优。同时，雷达对于中-β和较小的中-α尺度系统的预报检验效果最好，对尺度达几百公里的弱系统不如数值模式，对于10-30km的中-γ尺度系统雷达预报带来近74％的空报，今后需提高其对中-γ尺度系统生消的预报能力。

水汽收支与中短期定量降水预报研究

根据水汽收支平衡原理，计算分析了几种不同网格尺度的水汽收支与实际降水的关系，同时结合动力热力物理量综合诊断预报降水落区方法，利用Ｔ１０６数值预报场资料，研制一套中短期定量降水预报系统，在１９９８年汛期试用中取得较理想的效果．

基于短期定量降水预报的隔河岩洪水预报研究

统计分析了清江流域短期定量降水预报不同降水等级下的确率、漏报率和空报率,应用最近邻抽样回归模型对逐日降水预报资料行时段分配,将得到的逐时段降水预报资料与所建清江隔河岩水库洪水预报方案相耦合,发布考虑预见期降水的洪水预报。结果表明,考虑预见期降水可显著提高隔河岩水库的洪水预报精度。

青藏高原东部定量降水数值预报试验及业务化应用评估

该文运用LASGη坐标有限区域数值预报模式在青藏高原东部的川、渝两省市进行了定量、定点降水预报的数值模拟敏感性研究和准业务化试验 ,并根据中国气象局的有关规定对结果进行了评估。经过对比分析发现 :低纬度的天气系统与其活动特性 ,对该地区定量、定点降水数值预报有着重要影响 ;同样的物理过程和地形影响处理方式在不同的天气过程中对降水量的影响有显著差异 ;可选用适当的客观分析方法 ,通过强调距格点最近的站点的影响来尽量保持高、低值系统的极值 ,从而改进预报效果。准业务化试验结果表明 :LASGη坐标模式以其比较完善的动力框架和物理过程处理方法在这个地形复杂、天气系统多变的区域内可获得较好的预报结果 ,特别是晴雨预报可获得较高的TS评分 ,并能对某些客观预报难度较大的天气过程做出较好的预报。

基于支持向量机的桂林短期定量降水预报方法研究

针对桂林市短期降水变化的复杂性、非线性特点且缺乏有效的客观定量降水预报方法,以桂林市13站24h降水量为研究对象,分别对ECMWF模式不同物理量场的高相关因子群进行自然正交展开,选取能充分反映每个预报因子场主要信息的第一主分量作为模型输入。进一步针对支持向量回归机的参数选择问题,利用遗传算法对其相关参数进行优化,建立了改进的单站降水支持向量回归集合释用预报模型,并在2015年5-6月对桂林市13站进行了逐日降水预报业务试验。结果表明,该模型比ECMWF模式的降水预报精度有明显提高。