基于支持向量机的预报技巧的预报模型研究

用2002年1月1日至2004年5月31日两年5个月的国家气象中心(北京)T213L31模式的初始资料和预报资料,对500 hPa高度场的预报技巧——距平相关系数进行了统计分析,在了解其变化特征、规律和关联因子的基础上,对预报技巧变化的机制作了一个初步探讨。考虑到大气时空变化的复杂性,针对各个季节分别设计了基于支持向量机的预报技巧的预报模型。研究结果表明:支持向量机模型预报值可以较好地反映预报技巧变化的趋势,将其应用于预报技巧的预报是可行和有意义的。

欧洲中心集合预报在中国区域中期时效离散度-预报技巧关系分析

预测数值模式对于中期天气预报能力是集合预报的重要应用之一。为研究集合预报在中国区域中期时效(96～360h)预报技巧的预测能力,本文基于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)全球集合预报系统2007—2011年500 hPa高度场和850hPa温度场预报数据,采取两种不同的离散度-预报技巧关系表征方法进行对比分析,结果表明:(1)以均方根误差为表征的预报技巧(RMS_(ENS))和离散度(SP_(RMSE))表现出季节循环特征,即冬(夏)季值高(低),这是大气内在性质的表现。而以距平相关为表征的预报技巧(AC_(ENS))和离散度(SP_(AC))没有显著的内在季节变化特征。(2)对比分析两种不同表征的离散度-预报技巧关系可知,以距平相关为表征的离散度-预报技巧关系更能反映中期时效的预报技巧,且850 hPa温度场较500 hPa高度场二者的相关性更好。(3)定量分析离散度-预报技巧关系表明,小离散度情况下更能体现高的预报技巧,但这种关系从96～360 h样本百分比下降了20%左右,而在大离散度情况下离散度-预报技巧关系相对弱一些,且随预报时效的延长样本百分比没有显著的降低。(4)样本统计显示中期各时效SP_(RMSE)和SP_(AC)二者一致的样本占59%～66%,并没有显示较高的一致性特征。上述分析结果为集合预报在中期时效预报技巧预测方面提供定性和定量的参考。

印度洋偶极子预报技巧在多模式中的对比研究

本文采用北美多模式集合产品数据,分析了印度洋偶极子指数在不同模式中实际预报技巧和潜在可预报性的差异,并进一步探究其可能的原因。结果表明,印度洋偶极子的有效预报时效在不同模式中差别较大,从2个月到4个月不等。其中东极子海温异常在不同模式中预报技巧的差别较西极子海表面温度异常更明显,表明模式误差和初始误差对东极子海表面温度异常演变的影响更为显著。另外,印度洋偶极子的实际预报技巧和潜在预报技巧存在明显的线性关系,潜在预报技巧高的模式,其实际预报技巧也高。最后,本文诊断、分析了厄尔尼诺对印度洋偶极子预报技巧的影响,发现在厄尔尼诺和印度洋偶极子相关性较高的气候模式中,印度洋偶极子实际预报技巧也较高。

GRAPES_GFS在东亚地区中期预报技巧极端下降现象的初步研究

利用2016年4月1日—2018年12月31日GRAPES_GFS模式的业务预报数据,将GRAPES_GFS模式在东亚地区144小时预报500 hPa高度场的距平相关系数小于0.4,均方根误差大于60 gpm的事件定义为模式在东亚地区的中期预报技巧极端下降事件,据此标准筛选出29个个例进行了研究。结果表明,GRAPES_GFS在东亚地区中期预报技巧极端下降事件的高发期主要在春秋季,春季和秋季分别占比31.03%、41.38%,预报技巧极端下降事件通常表现在对于东亚大槽、西伯利亚槽脊、副热带高压的预报失败,四个季节合成的模式偏差均与该季节影响东亚地区主要天气系统的预报偏差大有关系。进一步通过典型个例的研究表明,东亚地区中期预报技巧极端下降事件的误差来源在不同季节表现出不同特征。冬夏季的预报偏差来源于高纬极区,多与模式在极区存在较大预报误差关联;春秋季的预报偏差主要来源于上游地区,与模式在东亚上游预报误差向下游的传播有关,未能合理预报台风活动也是预报偏差来源之一。

2个耦合模式中MJO的预报技巧

本文使用加拿大气候模拟与分析中心(Canadian Center for Climate Modeling and Analysis,CCCma)的耦合模式预报产品,应用以信息论为基础的可预报性理论框架,诊断、分析了耦合模式中Madden-Julian Oscillation(MJO)的预报率,包括实际预报技巧和潜在预报率,以及热带季节内尺度变率(Intraseasonal Variability,ISV)最可预报模态的空间分布。并在此基础上讨论了不同时间尺度平均对MJO预报技巧的影响。结果表明:本文使用的2个耦合模式中,MJO的预报技巧与目前全球主要使用的预报模式相近,约为10d。潜在可预报技巧可以达到30d以上。随着时间尺度从日平均增加到10d平均,MJO的实际预报技巧与潜在可预报技巧都相应提高,尤其是潜在可预报技巧的提高更加显著。进一步分析发现,影响实际预报技巧的一个重要因素是初始条件MJO信号的强弱,当MJO信号很强时,预报技巧较高,反之则较低。本文最后分析了模式中ISV最可预报模态的空间分布,并讨论了如何利用这种最可预报空间分布提高ISV的实际预报技巧。

“05.4.8”四川冰雹个例定量降水的预报技巧研究

从集合预报的角度研究了"05.4.8"四川冰雹个例的定量降水的预报技巧随水平尺度以及地形的变化。初步结论为当水平尺度小于100km时,预报技巧随着水平尺度的增加而迅速增加,当水平尺度达到200km及以上时,预报技巧增加地非常缓慢,基本维持不变;在不同的地理位置,预报技巧的差别很大。总体而言,预报技巧在山地要较平原地区来得高。

预报技巧的诊断研究

利用国家气象中心（北京）Ｔ４２Ｌ９模式的初始资料和预报资料，对５００ｈＰａ高度场的预报技巧进行了统计分析，并用一个简单的正压准地转谱模式对两个典型个例的正压不稳定性进行了研究。结果发现：北半球５００ｈＰａ高度场第五天的预报与初始场的某些经验正交函数的典型场有关。预报技巧与初始场的稳定性及其误差和背景场的配置有关。

对流尺度集合预报中模式地形扰动对其预报技巧的影响研究

基于在重庆市气象局业务运行的对流可分辨尺度(3 km)集合预报系统,在已有初值扰动、模式物理过程扰动和侧边界扰动的基础上,对不同集合成员采用不同地形插值方案和地形平滑方案实现对模式静态地形高度的扰动,体现数值模式中地形转换过程的不确定性,开展集合预报批量平行试验。结果表明:(1)实现对模式静态地形高度的扰动后,各集合成员地形高度的离散度与实际地形的起伏程度对应关系较好,两者空间分布特征非常相似,地形较平坦的平原地区离散度较小,而地形较复杂的高原地区或山区离散度较大;(2)加入模式地形扰动方案后,集合扰动能量总体上有所增大,且低层比中、高层更明显,能量增幅在较短预报时效(12 h)内最显著,随着预报时效延长呈逐渐减小趋势,且能量增幅大值中心主要出现在地形较复杂、集合成员地形高度离散度较大地区;(3)模式地形扰动方案一定程度上能提高降水概率预报技巧及改进集合平均降水预报,在对高空要素和2 m温度、10 m风场等近地面要素的集合平均均方根误差和集合离散度无负面影响的前提下,能一定程度上优化集合分布。

评估台风预报技巧水平的一种客观方法

提出一种考虑预报与实况两者联合概率分布的技巧评分方案，用于评估台风路径分型预报或定位预报技巧水平。该评估模型比通常经验性评估指标更加客观并且有普适性。实例计算表明，这种客观评估方案可应用于中国现行台风路径的业务预报客观评估和各种预报方法的综合比较。

基于NMME对海南岛降水可预报性及预报技巧评估

本文采用北美多模式集合(NMME) 1982年至2010年5个模式的月平均降水回报数据,ERA5再分析月平均降水数据进行验证,评估了单个模式及简单多模式集合对海南岛区域降水的的预报技巧和潜在可预报性,并研究两者之间的关系。受台风、暴雨等强对流影响,夏季是海南岛降水最集中的季节,对当地农业影响巨大,造成经济损失,因此特别对NMME模式在海南岛夏季降水的预报技巧进行了分析。发现各模式的潜在可预报性均明显高于模式预报技巧,说明对降水预测仍有较好提高空间,CFSv2预报技巧优于其他单个模式,距平相关系数为0.52,CM2.2和CanCM4的预报技巧较差,距平相关系数分别为0.25、0.20,随着预见期的增加,各模式的预报技巧均有所下降。简单集合平均的预报技巧处于最优模型和最差模型之间,距平相关系数为0.48。此外,进一步研究潜在可预报性和预报技巧之间的关系,发现存在一定的线性关系,潜在可预报性较高的模式其预报技巧也相对较高,比如CFSv2、CESM1、CCSM4,两者之间存在正相关关系。针对海南岛夏季降水的预报技巧研究,发现所有模式对海南岛北部及中部地区具有较好的预报技巧,而南部地区均较差,同时均方根误差也较大。具有较低预报技巧的CM2.2,其均方根误差也是所有模式中最大的,CFSv2对海南岛北部及中部地区具有较高的预报技巧,仍然高于其他模式,均方根误差也具有类似的空间分布,简单集合平均介于中间。

CMA全球集合预报系统误差增长及预报性能的尺度依赖特征诊断分析

利用CMA全球集合预报(CMA-GEPS)业务系统2020年6月1日至2021年5月31日一整年的500 hPa位势高度场(H_(500))预报数据,诊断评估了CMA-GEPS在北半球地区误差增长及预报性能的尺度依赖特征。使用谱滤波方法实现H_(500)不同尺度(包括行星尺度、天气尺度与次天气尺度)分量的分离。从集合平均均方根误差(简称集合平均误差)-离散度关系来看,在预报前期(108 h之前),CMA-GEPS集合平均误差小于集合离散度,存在过度发散的问题,主要是由天气尺度分量离散度过大导致;在预报后期(108 h之后),CMA-GEPS集合平均误差大于集合离散度,离散度偏小,是由行星尺度与天气尺度分量离散度不足共同引起。采用Dalcher等1987年修订的误差增长模型对H_(500)集合平均预报误差增长特征进行诊断分析,发现CMA-GEPS误差增长过程合理,初始误差在次天气尺度上增长最快,行星尺度上增长最慢;就绝对(相对)误差而言,模式误差对预报误差的影响随空间尺度的增大而增大(减小)。此外,将使用1989至2018年共计30 a的ERA-Interim再分析逐日数据得到的气候态分布作为参考预报,通过连续分级概率预报技巧评分(Continuously Ranked Probability Skill Score,CRPSS)检验了CMA-GEPS H_(500)及其不同尺度分量的概率预报技巧。结果表明,行星尺度分量概率预报技巧最高,次天气尺度分量最小,未经滤波的H_(500)预报技巧位于行星尺度与天气尺度分量预报技巧之间。上述诊断结果可为CMA-GEPS改进方向提供一定的客观依据。

两个集合预报系统对秦岭及周边降水预报性能对比

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）、美国大气环境预报中心（NCEP）集合预报系统（EPS）降水量预报资料,CMORPH（NOAAClimate PredictionCenter Morphing Method）卫星与全国3万个自动气象站降水量融合资料,基于技巧评分、ROC（relative operating characteristic）分析等方法,对比两个集合预报系统对秦岭及周边地区的降水预报性能。结果表明：两个系统均能较好表现降水量的空间形态,对于不同量级降水,ECMWF集合预报系统0～240 h控制及扰动预报优于NCEP集合预报系统,但NCEP集合预报系统264～360 h预报时效整体表现更好;ECMWF集合预报系统0～120 h大雨集合平均优于NCEP集合预报系统,两个系统集合平均的预报技巧整体低于其控制及扰动成员预报,这种现象ECMWF集合预报系统表现更为显著;ECMWF集合预报系统降水预报概率优于NCEP集合预报系统。ROC分析显示,随着预报概率的增大,ECMWF集合预报系统在命中率略微下降的情况下,显著减小了空报率,NCEP集合预报系统则表现出高空报、高命中率。

我国地面降水的分级回归统计降尺度预报研究

利用TIGGE资料中欧洲中期天气预报中心（ECMWF,the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）、日本气象厅（JMA,the Japan Meteorological Agency）、美国国家环境预报中心（NCEP,the National Centers for Environmental Prediction）以及英国气象局（UKMO,the UK Met Office）4个中心1~7 d预报的日降水量集合预报资料,并以中国降水融合产品作为＂观测值＂,对我国地面降水量预报进行统计降尺度处理。采用空间滑动窗口增加中雨和大雨雨量样本,建立分级雨量的回归方程,并与未分级雨量的统计降尺度预报进行对比。结果表明,对于不同模式、不同预报时效以及不同降水量级,统计降尺度的预报技巧改进程度不尽相同。统计降尺度的预报技巧依赖于模式本身的预报效果。相比雨量未分级回归,雨量分级回归的统计降尺度预报与观测值的距平相关系数更高,均方根误差更小,不同量级降水的ETS评分明显提高。对雨量分级回归统计降尺度预报结果进行二次订正,可大大减少小雨的空报。

一种Bayes降水概率预报的最优子集算法

MOS预报最优子集模型,通过消除数值模式系统性误差,可最大程度地提高其预报技巧。为了建立Nave Bayes降水最优模型,利用2008 2011年T511数值预报产品和单站观测资料,对介休、运城、丰宁3个站Nave Bayes降水概率分级预报模型进行研究。通过设计恰当的适应度函数,提出了一种用遗传算法搜寻Nave Bayes模型最优子集的计算方案,得到了3个站的最优子集模型。结果表明:最优子集的拟合效果明显高于普通初始子集,能够显著提升数值模式在单站的预报技巧。最优子集模型主要通过降低数值模式空报率提高单站晴雨、小雨预报效果,通过小幅提高正确次数和降低空报次数改善对中雨预报效果。

2008年初中国南方冰冻雨雪天气的多模式集成预报

利用逐日平均气温和24小时累积降水量资料研究了2008年初中国南方低温雨雪极端天气事件的特征。还利用TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料中欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JMA)、美国国家环境预报中心(NCEP)以及中国气象局(CMA)提供的集合预报资料进行多模式集成预报试验。结果表明,2008年初中国南方1/3以上测站的降水偏多达50年一遇,50年一遇的低温还出现在贵州和湖南西部。利用滑动训练期消除偏差集合平均(R-BREM)方法对地面气温做24～216 h预报,发现其预报技巧明显高于单个模式预报和其它多模式集成方法的预报技巧。以欧洲中期天气预报中心地面气温96 h预报的均方根误差作为标准,R-BREM方法能将中国东南部地区的气温预报时效延长到192 h。R-BREM方法还能有效地提高降水预报的准确率,24～192 h小雨预报的TS评分明显高于单个模式预报及其它多模式集成预报的评分,但72 h预报例外。对于24～192 h中雨预报,R-BREM方法也较单个模式及其它多模式集成预报方法的预报技巧高。

NCEP CFSv2对中国2015年夏季月尺度降水和环流预报分析

利用美国环境预报中心的第二代气候预报系统（NCEP CFSv2）提供的1982-2010年历史回报资料和2015年6-8月预报产品、NCEP CFSR再分析资料及中国地面观测降水资料,评估了NCEP CFSv2对2015年（厄尔尼诺发展年）中国夏季月降水和环流形势的预报能力,并分析了影响模式预报技巧高低的可能因子。结果表明：1）模式对降水的预报技巧较低且表现出明显的月变化（7月最高,8月次之,6月最低）,但总体水平都不高。预报技巧明显依赖于提前时间的长短。2）CFSv2对影响我国夏季降水的500h Pa关键区环流异常空间模态表现出较高的预报技巧。对全东亚区域,模式基本都可提前5-9天（7月9天,6月6天,8月5天）较为准确的预报出未来一个月高度异常空间模态。3）通过对比分析发现,CFSv2环流预报中选取12个集合成员（滑动3天）可以得到较稳定的预报结果。4）在2015年夏季月尺度环流异常模态预报中,东亚全区的环流预报水平很大程度上取决于中高纬地区的预报。CFSv2对中高纬环流月预报技巧（6-8月都能从提前4天开始就基本稳定维持在较高水平）比热带地区更高更稳定。

大展宏图正当时——欧洲中期天气预报中心关于季节预报学术会评介

2012年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)年度学术会议的主题是季节天气预报。在2012年9月3—7日,历时整整一周的会上,分别来自ECMWF和英国(各5人)、美国(4人)、法国(2人)以及巴西、瑞典、印度、WMO、瑞士、日本、韩国和澳大利亚(各1人)的24位报告人。

消除偏差集合平均在黄海渤海大风预报中的应用

基于日本气象厅预报模式（JMA）、美国国家环境预报中心预报模式（NCEP GFS）及美国海军全球大气预报谱模式（NOGAPS）3个模式2009年6月28日~8月10日每日20：00预报的海面风场预报资料,利用消除偏差集合平均对海面风场进行预报试验,并采用均方根误差对预报结果进行检验评估。结果表明,对于24、48 h海面风场预报,消除偏差集合平均有效地减小了预报的均方根误差,预报效果优于单个模式的预报;其中,渤海中部偏南地区及黄海中部误差减小最为明显。此外,消除偏差集合平均预报明显改善了2009年7月13~14日和8月7日大风过程的预报效果,提高了风速值和大风区位置的预报准确率。

CFSv2在湖北省梅雨特征量延伸期预报中的应用

利用NCEP的气候预报系统第二版(CFSv2)提供的逐日降水模式资料,采用集合预报方法开展区域性夏季降水预报,使用出入梅日期均方根误差(RMSE)、准确率(ACCU),梅雨期长度均方根误差(RMSE)及梅雨雨强距平符号一致率(Pc)等3种方法评估模式资料对湖北省梅雨特征量的预报能力。结果表明:入梅预报提前13 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,出梅预报提前14 d的ACCU可达0.5以上、RMSE小于3 d,梅雨期长度预报提前14天的RMSE小于5 d,梅雨雨强预报提前14 d的Pc可达0.5以上。梅雨特征量总体预报时效为14 d左右,CFSv2模式资料对区域性夏季降水在梅雨延伸期时段表现出一定的预报技巧。

三个气候系统模式对500hPa高度场预报的检验对比分析

基于BCC_CSM1.1m,NCEP_CFSv2和ECMWF_System5模式的历史回报和中国全球大气再分析系统资料,对500hPa位势高度和西太平洋副热带高压进行预报性能评估和可预报性分析。结果表明:三个模式在热带地区均具有较高的预报能力,BCC模式表现最为突出,EC模式预报稳定性最好,NCEP模式预报技巧最低;三个模式预报的距平相关系数均表现出明显的年际变化,并且在超过中等强度的厄尔尼诺事件后,预报技巧有所提高,进一步证实ENSO是各模式对500hPa位势高度季节性尺度的可预测源;模式对西太副高脊线指数的预报技巧最高,其次是强度指数,再次是面积指数,对脊点指数的预报表现最差。