CFSv2模式对汛期黑龙江省延伸期时段降水预测检验评估

利用1999-2010年CFSv2模式资料,基于国家气候中心Ps和Cs检验方法,对汛期黑龙江省延伸期时段降水趋势和过程进行检验评估。结果发现:模式预测6月延伸期降水趋势效果较差,但从7月上旬开始至8月中旬模式预测技巧明显提高,Ps评分基本通过65分,距平符号一致率也达到50%以上。模式预测延伸期降水过程效果较好的时间为6月上旬、7月上旬、7月下旬和8月中旬,预测降水日数准确率在20%以上。预测结论可以为业务中延伸期降水预测提供参考依据。

基于机器学习的中国夏季降水延伸期预报及土壤湿度的可能贡献

延伸期预报准确率较低的问题仍然是目前重要的科学难题,做好延伸期预报对防灾减灾具有重要意义。本文利用机器学习方法开展了中国夏季降水延伸期(5~30天)预报试验,并探讨了土壤湿度对降水延伸期预报的可能贡献。结果表明机器学习方法的预报结果准确率要比传统线性模型方法有较大改善,且在诸多机器学习方法中,以Catboost, Lightgbm和Adaboost三个机器学习模型为最优。进一步分析发现长江流域表层土壤湿度异常导致的蒸发异常和感热异常,能够引起大气环流和垂直运动异常,最终对夏季降水产生影响。使用三个最优的机器学习方法的集合计算出模型中各个预报因子的贡献率,发现在长江流域的延伸期降水中,局地土壤湿度主要在5~10天占主导作用,而前期降水主要在10~15天占主导作用,长江流域20~30天的延伸期降水基本上受到大尺度环流控制。还评估了非局地土壤湿度在延伸期降水中的作用,发现中南半岛表层土壤湿度主要对15~30天的长江流域延伸期降水有重要贡献。将中南半岛表层土壤湿度加入到东北地区延伸期降水模型中,发现对该地区延伸期降水预报准确率并无提升作用,验证了机器学习模型的可用性。该研究为延伸期降水预测以及探究预报因子贡献率提供了一定的参考。

时空投影模型在东北夏季降水延伸期预报中的应用和检验

基于1979—2021年东北地区逐日降水数据和NCEP/NCAR大气再分析资料,采用旋转经验正交函数分解、集合经验模态分解,分析了东北夏季低频降水的历史规律,结合低频降水及其相关的大气季节内振荡,利用时空投影模型(STPM)对低频降水进行延伸期预报。结果表明:东北地区低频降水有明显的地域性差异,不同区域低频降水的周期有明显的年际变化,周期以10~40 d为主,40~80 d为辅。10~40 d低频降水的预报关键信号为热带大气季节内振荡、欧亚遥相关、丝绸之路遥相关低频波列和西太平洋附近的纬向风场;40~80 d低频降水的预报信号则主要来自东北地区周边的要素场。对东北地区不同频段降水的低频分量进行延伸期逐候回报试验表明,预报能力随提前预报时间的增加而降低。10~40 d低频降水分量的预测时效为10 d;40~80 d低频降水显示出了较高的预报技巧,预报时效可达30 d左右。

西北太平洋热带气旋频次的延伸期动力-统计预报方法和评估

介绍了西北太平洋热带气旋(TC)频次的延伸期预报方法,比较了新构建的动力-统计和统计预报模型的预测技巧,并探讨了预报误差来源及改进方向。动力-统计预报模型是基于动力模式预测的热带季节内振荡(ISO)信号及ISO-TC生成的同期统计关系来进行预报;统计预报模型则是基于TC生成的前兆ISO信号建模预报。预报评估结果显示,动力-统计混合预报模型的预报技巧高于统计预报模型,原因在于影响TC次季节变化的前兆信号并不稳定,且随着预报超前时间迅速消散,无法提供有效且稳定的可预报源;相反地,TC生成与同期的ISO背景场显著相关,动力模式对ISO(预报因子)有较好的预报能力,因此动力-统计相结合的预报方法为TC延伸期预报提供了有效途径。虽然目前动力-统计预报模型的预报技巧可达5~6周,但仍有进一步改进和提高的空间。通过对不同类型TC预报技巧检验和误差分析,研究认为年际和年代际背景场对ISO调控TC活动的影响不可忽略,且热带外ISO信号(如罗斯贝波破碎和西风急流强度等)对TC频次和轨迹也有显著影响,这些因子为TC延伸期预报提供了潜在可预报源。

气候变化对延伸期预报的影响

10~30 d时效的延伸期预报,作为无缝隙预报预测体系中至关重要的一环,连接着天气预报和短期气候预测。受不断加剧的气候变化的影响,延伸期预报将面临更为重大的挑战。首先概述国内外延伸期预报现状,然后分析了全球气候变化对极端天气气候事件分布特征、关键环流系统可预报性等方面的影响,发现气候变化将导致延伸期预报难度加大、需求更加旺盛,同时也更加突显延伸期预报在防灾减灾方面的作用。进一步展望延伸期预报将面临的新挑战以及未来业务发展的新动向,提出了适应气候变化的应对措施和建议,如大力发展数值预报模式、深入开展延伸期预报机理研究、大力发展动力—统计相结合的预报方法以及尝试多学科交叉协作等。

与数值模式预报结合的冬季延伸期强降温过程预测方法及业务化应用

首先对NCEP-CFSv2模式预报的2017年1-3月和10-12月1~30天700 hPa 8个关键区低频波效果做了定量评估,然后,在此基础上将模式1~30天低频波预报结果和低频波预测模型相结合,在2018年1-4月和2018年11月至2019年1月对上海地区做了15次延伸期强降温过程业务预测,结果显示:(1)模式预报的关键区低频波位相和演变趋势与实况高度吻合,预报的延伸期(11~30天)关键区低频波与实况相关系数达0.839;预报的延伸期(3~6候)关键区低频波趋势平均准确率达83.3%,准确率为100%的比例高达45.8%。(2)15次延伸期强降温过程业务预测的平均准确率、Cs评分和Zs评分分别为61.2%,0.149和0.158,并准确给出2018年年初和年末两次最强降温过程发生时段,预报时效分别为18天和16天,显示出一定的预测技巧;评分结果显著高于未应用CFSVv2模式结果的2015年和2016-2017年1月同期业务预测。

上海市PM_(2.5)浓度延伸期预测模型的构建及评估

基于PM_(2.5)浓度、次季节到季节预测项目(S2S)三家模式(CMA、UK和ECMWF)历史回报气象要素(2000~2014年)作为预测因子,利用长短时记忆神经网络(LSTM)深度学习方法和轻量级梯度提升机(LGBM)算法开发了上海PM_(2.5)延伸期预测模型,并应用LSTM模型建立了上海秋冬季(11月~次年2月)PM_(2.5)浓度延伸期预测融合模型.结果显示:融合模型11~40d逐候预测与实况的相关系数为0.47~0.76,比单一模型相关系数上升23.5%~31.1%;融合模型RMSE介于19~25.1μg/m^(3)之间,较单一模型下降19%~19.3%.融合模型能够较好地预报出未来11~40d上海秋冬季PM_(2.5)浓度的总体趋势、浓度峰值谷值的变化及发生时间等关键特征,逐候HSS技巧评分在0.18~0.5之间,显示出较好的预测技巧.对于典型污染过程个例的预测而言,融合模型在不同的预测时效预测准确率存在差异,提前11−40d的总体预测准确率为75.5%.对于持续3d及以上的3次污染过程,11~40d预测准确率达到100%.融合模型的预报时效可达40d,是目前污染数值预报模型(一般96~240h)预报时效的近4倍,且运算速度快,能够节省大量计算资源和时间成本.

中国南方降水及其极端事件的动力-统计相结合延伸期预报

延伸期预报是无缝隙预测系统中的薄弱环节,如何提高灾害天气过程的延伸期预报技巧是国际热点及前沿问题。本研究基于2005年12月—2014年8月的观测/再分析资料,通过奇异值分解方法,揭示了与中国南方低频降水变化高度耦合的热带对流和中纬度波列信号。利用中国气象局参加国际次季节至季节预报计划模式(BCC-CPS-S2Sv2模式,简称BCC S2S模式)的回报数据,对中国南方低频降水异常场进行统计降尺度,构建了一套动力-统计相结合的延伸期降水预测模型。独立预测时段(2014年12月—2019年8月)的结果表明,BCC S2S模式可以提前10—15 d预报中国南方大部分区域的异常降水;提前15—20 d以上预报时,动力-统计结合预报模型对冬季(夏季)华南沿海地区(长江以北地区)的降水时间演变、降水空间分布及极端强降水事件的预报技巧均优于BCC S2S模式。文中提出的思路和方法可广泛应用于其他区域气象要素和极端天气事件的延伸期预报。

2022-2023年黑龙江省1月延伸期强降温过程预报检验

利用黑龙江省83个气象观测站2022年和2023年1月的逐日温度资料,以单站日平均温度24 h内降温幅度>8℃为标准,对强降温事件进行统计,并对CFSv2延伸期预报进行检验。结果表明:两年共发生6次强降温过程,发布延伸期强降温过程12次,预报准确率为33%,空报过程10次,漏报4次,2023年预报准确率高于2022年。对比不同预报时效的结果,发现延伸期预报效果与起报时间并没有显著联系。CFSv2模式对大范围强降温过程的预报有一定技巧,超前10 d预报的旬气温距平也具有参考价值,与实况相比,延伸期强降温过程预报的时段和强度略有偏差,但是预报的变化趋势基本一致,可以为黑龙江省1月强降温预报提供参考。

我国北方一次典型强沙尘暴过程的延伸期数值预报能力分析

目前利用数值模式对延伸期以上时间尺度的沙尘天气进行客观定量预报还在尝试阶段,本文利用耦合了沙尘模块的区域气候模式RegCM-dust对我国北方一次典型强沙尘暴过程进行延伸期数值预报能力分析,并与NCEP再分析资料等分析结果进行对比。结果表明,模式模拟的起沙量大值区主要位于新疆南部、蒙古国和内蒙西部;模式对10 m风速具有一定的预报能力,但模拟风速比再分析资料风速偏小;模式模拟的沙尘柱含量和总沉降量变化能够反映沙尘暴天气过程特征;模拟的整层沙尘混合比与城市污染指数有一定对应关系,说明模式对沙尘引起的污染天气具有一定预报能力。

江淮流域伏后延伸期降水异常的环流特征

本文利用1990—2021年高分辨率的CPC和ERA5再分析资料,分析伏后(8—9月)11~25 d和29~59 d江淮流域的大气低频特征,用奇异值分解(SVD)研究影响江淮伏后降水的大气低频信号,并选取2017和2021年两次降水个例进行机理解释。研究结果表明:11~25 d低频位势高度占原始场的方差贡献百分比大于29~59 d尺度,对流层中高层的方差贡献大于对流层低层。SVD结果指出,环球遥相关模(CGT)导致江淮流域的局地辐合上升,有利于11~25 d的低频降水;11~25 d的低频降水与日降水的峰值匹配,意味着该时间尺度的系统对江淮伏后降水具有重要贡献。欧洲至中国的大气Rossby波列使江淮流域的对流层高层辐散,产生垂直上升运动,伏后西北太平洋对流层低层反气旋环流将暖湿水汽传输至江淮流域,动力和水汽条件均有利于降水。本文的研究结果有助于理解江淮流域伏后降水的延伸期预报机制,可为延伸期预报业务提供有价值的分析路线。

基于松弛逼近方法的天津PM_(2.5)延伸期数值预报研究

在现有天津延伸期空气质量数值预报系统(CFS/WRF-Chem)的基础上,引入Nudging技术约束模式积分过程,开展Grid Nudging和Spectral Nudging敏感性试验.通过张弛波数、张弛时间、张弛变量等参数的最优化方案测试,提升Nudging技术在天津秋冬季PM_(2.5)延伸期数值预报中的适用性,以期有效提升天津秋冬季10~45d空气质量趋势预测的准确性.研究结果表明:与未采用Nudging技术的延伸期空气质量数值模式预报相比,使用Nudging技术后,无论是Grid Nudging还是Spectral Nudging,延伸期空气质量预报效果均得以提升.逐日预报与实况PM_(2.5)质量浓度的相关系数由未采用Nudging技术的0.1分别提高至Grid Nudging的0.35和Spectral Nudging的0.43,PM_(2.5)等级预报准确率由33%分别提高至47%和44%.相比Grid Nudging和Spectral Nudging方案的选择,张弛波数、截断波长和张弛变量等参数最优配置对Nudging技术运用更为关键.Grid Nudging技术中张弛系数5×10^(-5),张弛时间尺度6h,张弛变量θ-q-uv为最优;Spectral Nudging技术中张弛波数1,截断波长1800km,张弛变量θ-q-uv最优.即使采用Nudging技术,延伸期PM_(2.5)质量浓度逐日预报仍有很大的不确定性,其更适合趋势(增加或者下降)预测.从候与候之间PM_(2.5)浓度变化趋势结果分析,未采用Nudging技术时,预报准确率为50%,采用Grid Nudging提高至75%,采用Spectral Nudging可提高至88%,Spectral Nudging的预报结果略优,且可以有效支撑延伸期PM_(2.5)候分辨率尺度空气质量趋势预测.

我国延伸期预报业务现状及其协同运行机制分析

10~30 d延伸期预报是构建“无缝隙预报”的必然要求,在防灾减灾工作和各行业气象保障服务中起着至关重要的作用。我国自2002年起,对延伸期预报业务进行了多方面的探索,但仍存在预报方法和技术不纯熟、人才队伍较薄弱、预报体制不完善等问题,当前的延伸期预报业务仍较难满足业务需求。通过文献调研法、问卷调研法、访谈调研法对比分析了国内外延伸期预报业务现状、人才队伍以及协同运行机制建设现状,提出了制约我国延伸期预报业务进一步发展的可能因素,并提出了若干对策,为延伸期预报业务相关决策提供科学的支撑和依据。

延伸期过程预报预测技术及应用

对自主研发的低频图方法和低频波方法、延伸期过程预测客观检验指标(Zs和Cs评分)、月内重要过程与趋势预测系统(MAPFS 2.1)及其推广应用情况做了介绍。对近4年(2013—2016年)上海地区汛期延伸期强降水过程业务预测和近2年(2015—2016年)冬季延伸期强降温过程业务预测进行了客观检验。结果显示,汛期强降水过程、冬半年强降温过程(强冷空气过程)预测准确率分别为67.3%和43.2%,Zs/Cs评分分别为0.153/0.130、0.139/0.09。低频图方法对各年汛期最强降水过程均给出了较好的预测,说明预测方法具有一定的预测潜力。基于MJO(Madden-Julian Oscillation)活动的上海汛期逐候降水趋势预测方法2年(2014—2015年)的预测结果Ps评分平均达到58分,为汛期延伸期强降水过程预测和入梅、出梅延伸期预测提供了较有价值的预测背景信息。

大气低频振荡与延伸期预报

为了能从大气低频振荡角度研究延伸期降水过程预报问题,引入了一种新的预报方法—低频天气图,并且分析了低频天气图的技术要点和技术方法。在低频天气图上,低频天气系统（低频气旋和低频反气旋）,以及它们的活动特性可以被用来定性地确定南、北气流（暖、冷空气）的汇合,引起降水过程。2009年6-10月利用该方法进行上海地区延伸期降水过程预报表明,强降水过程预报效果较好,且预报时效为15-45天,可以在延伸期业务预报中应用。

天气关键区大气低频波延伸期预报方法

针对上海地区强降水过程预报,根据大气低频振荡特性和使用Micaps 700hPa位势高度场资料,提出了一种新的预报方法——"天气关键区大气低频波延伸期预报方法",确定了天气关键区的范围和分析了天气关键区的低频变化特征。该方法的重点内容是天气关键区的低频波特征、各关键区低频气流辐合及其与降水过程的联系。2010年该方法在上海春季业务预报中取得了比较好的预报结果,尤其是对重大事件的预报服务。

延伸期天气过程预报的一种新方法——低频天气图

本文主要介绍低频天气图延伸期预报方法。低频天气图是一种不同于统计学预报方法、数值预报方法和天气学预报方法的延伸期天气过程预报的新方法,可以用于延伸期(10～30天)天气过程预报。低频天气图的技术要点是大气低频系统(低频气旋和低频反气旋)及其相应的低频气流。低频天气图的天气学意义是能反映造成天气过程的天气系统的生消、维持和移动及其大气环流演变过程。其优越性在于其特性:时间上的周期性(30～50天)、持续性和空间上的连续性、相似性以及地域上的准定常性,预报天气系统相对容易且时效长。2008～2012年在上海市气候中心业务应用的结果表明,可以提前15～45天预报上海地区的强降水过程。

10～30d延伸期数值天气预报的策略思考——直面混沌

针对大气系统的混沌特性,提出了10-30 d延伸期数值天气预报的策略思考。可预报性问题,实质上是时空尺度问题,10-30 d的预报虽然超出了逐日天气的可预报时限,但仍存在着可预报的分量。以数值模式为基础,阐述了10-30 d延伸期可预报分量的提取方法。在此基础上,提出了针对可预报分量和混沌分量应采用不同的策略和方法。该设想可借鉴利用现有数值模式的变分同化系统,且无需构建新的模式,因此具有可行性。

10～30 d延伸期可预报性与预报方法研究进展

10~30d延伸期的可预报性既依赖于初始条件,也与缓变的下垫面有关,寻找延伸期时段内可预报性较高的低频特征,识别延伸期的可预报性来源及影响的物理机制是提高延伸期预报水平的关键。近年延伸期可预报性来源、热带大气季节内振荡监测预测和影响等领域的研究取得较大进展,提出和应用了动力统计相结合以及大气低频信号释用等新的延伸期预报方法。对延伸期可预报性来源及其与初值和外强迫异常的关系分析表明,海气相互作用能提高亚洲和西太平洋区域延伸期时段大气环流和要素的可预报性。热带大气季节内振荡、平流层爆发性增温以及各种次季节尺度的海气、陆气耦合作用和大气响应均为延伸期预报提供了重要的可预报性来源。由于数值模式延伸期时段的预报性能与实际业务需求还存在一定距离,基于动力统计相结合和物理统计的延伸期预报方法被广泛应用于业务预报,表现出一定的预报技巧。

广州逐日降水振荡及其延伸期预报的简谐波模型

利用1951--2010年广州逐日降水资料，采用功率谱、小波变换、Lanczos滤波器和简谐波拟合等方法，研究了广州逐日降水的振荡特征及其延伸期预报方法。结果表明，广州逐日降水振荡主要表现为2～4．1d、8d、13-3d、40～60d和120d变化等5种时间尺度的准周期振荡，其中准单周变化、11～21d、21～80d的季节内振荡具有振幅和周期接近的1～2个振荡周期性循环出现的特征。利用小波变换揭示出近期逐日降水距平5d滤波序列变化的主要周期，采用简谐波拟合的方法建立了广州逐日降水5d滤波序列的延伸期预报模型。对1990-2009年近20年的后报结果分析表明，所建立的延伸期预报简谐波模型除第24d和29d外，前33d的预报值与低通滤波值之间的相关达到0．05的显著性水平。对未来34d降水低频分量极大值的预报与实况低通滤波极大值相差在0～2d的概率最高，可为中期与延伸期降水过程出现时段的预报提供重要参考。