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基于2118台风“圆规”模式扰动方案对台风区域集合预报的影响
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作者 邵端舟 张宇 +3 位作者 徐建军 陈思奇 李家菁 胡嘉政 《大气科学》 CSCD 北大核心 2024年第4期1511-1530,共20页
为了探讨不同模式扰动方案对台风区域集合预报的影响,本文以2021年18号台风“圆规”为例,基于WRF模式,采用了多物理过程参数化方法(MP)、随机变化参数扰动方法(SPP)和物理倾向随机扰动(SPPT)三种不同的方法,设计了EXP1(MP)、EXP2(SPP+SP... 为了探讨不同模式扰动方案对台风区域集合预报的影响,本文以2021年18号台风“圆规”为例,基于WRF模式,采用了多物理过程参数化方法(MP)、随机变化参数扰动方法(SPP)和物理倾向随机扰动(SPPT)三种不同的方法,设计了EXP1(MP)、EXP2(SPP+SPPT)和EXP3(MP+SPP+SPPT)三组敏感性试验进行了比较研究。结果表明:三组区域集合预报试验都能较好地模拟台风路径和台风增强的过程,其中EXP3试验效果最好,EXP3试验的路径偏差值为三组集合预报试验最小的,其平均值为52.8 km,而控制试验CTRL(无模式扰动)、EXP1和EXP2的平均值分别为61.8、54.4和65.7 km;三组集合预报试验的扰动能量值基本都大于控制试验CTRL,且EXP3的扰动能量发展最快,扰动能量值基本为最大的;三组集合预报试验的Brier评分相较于控制试验CTRL有所改善,且EXP3的Brier评分值为三组集合预报试验改善最大的,EXP1和EXP2相对于CTRL试验的改善率为45%和48.76%,而EXP3能达到70%,EXP2与EXP1的预报效果相当,EXP3相较于EXP1和EXP2预报效果有所改善,其相对于EXP1和EXP2的改善率达到57.5%和40%。 展开更多
关键词 区域集合预报 台风 多物理参数化组合方案(MP) 随机参数扰动法(SPP) 模式物理参数化倾 向随机扰动法(sppt)
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ENSEMBLE PREDICTION EXPERIMENTS OF TYPHOON TRACK BASED ON THE STOCHASTIC TOTAL TENDENCY PERTURBATION 被引量:1
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作者 王晨稀 《Journal of Tropical Meteorology》 SCIE 2016年第3期305-317,共13页
The GRAPES-TCM is used to make ensemble prediction experiments for typhoon track.Three kinds of ensemble schemes are designed for the experiments.A total of 109 experiments are made for the nine typhoons in 2011 and t... The GRAPES-TCM is used to make ensemble prediction experiments for typhoon track.Three kinds of ensemble schemes are designed for the experiments.A total of 109 experiments are made for the nine typhoons in 2011 and the integral time is 72 h.The experiment results are shown as follows.In the three ensemble schemes,on the whole,scheme 1 has the best track prediction.Its average absolute track error and overall deviations of typhoon moving speed and moving direction are all the smallest in the three schemes.For both scheme 1 and scheme 2,they are all smaller than those of their control predictions.Both of their ensemble predictions show superiority to their deterministic predictions.Overall,compared with the observations,the typhoon moving directions of the three schemes mainly skew to the right,and in the late integration they mainly tend to be relatively slow.In the three schemes,the track dispersion of scheme 1 is the largest and that of scheme 3 the smallest.In scheme 1 it is much larger than in schemes 2 and 3.The difference of dispersion between scheme 2 and scheme 3 is small.The track dispersions of the three schemes are all much smaller than their rational dispersions.Compared with the eight domestic and overseas operational numerical weather prediction(NWP) models,scheme 1 has better predictions than the other seven operational models except ECMWF NWP model.Scheme 1 has the value of operational application. 展开更多
关键词 typhoon track ensemble scheme STOCHASTIC TOTAL tendency PERTURBATION
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GRAPES区域集合预报系统模式不确定性的随机扰动技术研究 被引量:44
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作者 袁月 李晓莉 +1 位作者 陈静 夏宇 《气象》 CSCD 北大核心 2016年第10期1161-1175,共15页
为进一步描述GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)区域集合预报系统(GRAPES Me—soscale Ensemble Prediction System,GRAPES—MEPS)中GRAPES—Meso模式的不确定性特征,本研究在GRAPES—MEPS系统中引人了模式... 为进一步描述GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)区域集合预报系统(GRAPES Me—soscale Ensemble Prediction System,GRAPES—MEPS)中GRAPES—Meso模式的不确定性特征,本研究在GRAPES—MEPS系统中引人了模式物理参数化倾向随机扰动方案(Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT),随机扰动型的产生是基于-阶马尔科夫链,其具有时间相关性特征,并服从正态分布,另外经过谱展开随机场具有空间结构特征,在水平结构上较平滑和连续。本文开展了基于SPPT方案的GRAPES—MEPS集合预报试验,针对SPPT方案中随机场的扰动幅度和时间相关尺度参数开展了一系列敏感性试验,并对试验结果进行了较全面的集合预报客观检验,此外,针对一次强降水过程,分析了SPPT方案对降水预报的影响。试验结果表明,引入SPPT方案能在一定程度上提高GRAPES—MEPS系统的预报技巧,降低系统的漏报率;且能显著改进预报后期大雨量级降水的预报技巧。通过敏感性试验发现,对于GRAPES—MEPS系统,SPPT方案的效果与随机扰动场幅度的范围,及扰动场的时间相关尺度选择相关,需经过敏感性试验确定出较适合的参数。 展开更多
关键词 集合预报 随机扰动参数化倾向方案 扰动范围 时间尺度
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随机物理倾向扰动方案在西部山地对流尺度集合预报中的研究 被引量:3
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作者 王明欢 李俊 +3 位作者 熊洁 赖安伟 孙玉婷 许建玉 《气象》 CSCD 北大核心 2021年第8期966-981,共16页
为了研究随机物理倾向扰动(SPPT)方法在复杂地形条件下对对流尺度集合预报中的影响,针对SPPT随机扰动场的时间尺度、空间尺度和格点标准差三个参数进行敏感性试验,分析扰动变化规律,探讨其预报效果。结果表明:空间尺度90 km、时间尺度3 ... 为了研究随机物理倾向扰动(SPPT)方法在复杂地形条件下对对流尺度集合预报中的影响,针对SPPT随机扰动场的时间尺度、空间尺度和格点标准差三个参数进行敏感性试验,分析扰动变化规律,探讨其预报效果。结果表明:空间尺度90 km、时间尺度3 h和格点标准差0.525参数构造的SPPT随机扰动场结构对西部山地对流尺度集合预报整体效果较好,该试验不同层次高空要素(纬向风场、温度场和湿度场)和近地面要素(10 m风和2 m温度)的离散度增长较快,考虑预报误差的离散度/RMSE也好于其他试验。虽然最优配置试验的3 h累积降水的集合平均相对于其他参数试验没有明显在各个量级上都有提高,但在≥10 mm、≥25 mm和≥50 mm的降水等级的ETS评分接近或者高于控制试验,概率预报技巧较好。综合来看,空间尺度参数的选取比时间尺度对离散度的影响更加明显,增加扰动振幅对离散度的增加也起到积极的作用,同时可以提高不同量级降水的概率预报技巧。 展开更多
关键词 集合预报 对流尺度 不确定性 随机物理倾向扰动(sppt)
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基于随机全倾向扰动的台风路径集合预报试验 被引量:7
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作者 王晨稀 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2015年第1期32-42,共11页
以GRAPES-TCM为试验模式设计3种集合方案对2011年9个台风进行109次72 h的路径集合预报试验。结果显示:在3种集合方案中,路径预报效果总体最好的是方案1,其路径平均绝对误差与台风移速、移向的总体偏差都最小;方案1和方案2的平均绝对误... 以GRAPES-TCM为试验模式设计3种集合方案对2011年9个台风进行109次72 h的路径集合预报试验。结果显示:在3种集合方案中,路径预报效果总体最好的是方案1,其路径平均绝对误差与台风移速、移向的总体偏差都最小;方案1和方案2的平均绝对误差与台风移速、移向的总体偏差都小于它们的控制预报的结果,集合预报表现出优于确定性预报的预报能力;与实况比较,3种集合方案预报的台风移向总体以偏右为主,台风移速在积分后期以偏慢为主;方案1的路径离散度最大,方案3最小,3种方案的集合离散度比其合理的离散度都明显偏小;与国内外8个业务数值模式的预报结果比较,方案1的路径预报优于除欧洲中心数值模式以外的7个业务模式的预报,表现出一定的业务应用价值。 展开更多
关键词 台风 路径 集合预报 集合方案 随机全倾向扰动
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GRAPES全球集合预报初始条件及模式物理过程不确定性方法研究 被引量:23
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作者 李晓莉 陈静 +2 位作者 刘永柱 彭飞 霍振华 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2019年第3期348-359,共12页
为描述GRAPES全球模式初始条件的不确定性,基于适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术,依据大气初始误差符合正态分布的特征,采用高斯取样奇异向量来构造全球集合预报初始扰动,在此基础上建立了GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS... 为描述GRAPES全球模式初始条件的不确定性,基于适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术,依据大气初始误差符合正态分布的特征,采用高斯取样奇异向量来构造全球集合预报初始扰动,在此基础上建立了GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)。利用GRAPES全球同化分析场,对采用初始扰动的GRAPES-GEPS连续试验预报结果进行检验和分析。结果表明:GRAPES-GEPS中高度场、风场及温度场预报的集合离散度能有效快速增加,集合平均均方根误差与集合离散度的关系合理;相对控制预报的均方根误差,集合平均的预报优势在预报中期非常显著。为进一步体现GRAPES-GEPS中模式物理过程的不确定性,发展了模式物理过程倾向随机扰动技术(SPPT)。试验结果表明:SPPT方案的应用有效提高了GRAPES-GEPS在南、北半球和热带地区等压面要素预报的集合离散度,同时一定程度减小了集合平均误差,进而改进了集合平均误差与集合离散度的关系,其中SPPT方案在热带地区的改进最为显著。本文发展的基于奇异向量的初始扰动方法和模式扰动SPPT方案在中国气象局2018年12月业务化运行的GRAPES-GEPS中得到了应用。 展开更多
关键词 GRAPES奇异向量 初始扰动 模式扰动sppt方案 GRAPES全球集合预报系统
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GRAPES全球集合预报系统不同随机物理扰动方案影响分析 被引量:5
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作者 彭飞 李晓莉 陈静 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期972-987,共16页
为了更好地理解不同随机物理扰动方案对全球中期集合预报的影响差异,本研究基于GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)对比分析了随机物理倾向扰动(Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT)、随机动能补偿(Stochasti... 为了更好地理解不同随机物理扰动方案对全球中期集合预报的影响差异,本研究基于GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)对比分析了随机物理倾向扰动(Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT)、随机动能补偿(Stochastic Kinetic Energy Backscatter,SKEB)及联合使用SPPT与SKEB三种模式扰动方案所产生的扰动特征及其对集合预报的影响。为避免初值扰动影响,考察随机物理方案所产生的扰动特征时,不使用初值扰动。通过扰动与误差相关性分析(PECA)发现,不同随机物理扰动方案所产生的扰动对预报误差均具有一定的描述能力,而且联合使用SPPT与SKEB方案时,扰动对误差的描述能力最好。对所有扰动方案来说,扰动总能量最初主要集中在热带地区对流层中高层以及平流层低层。随着预报时效的延长,扰动总能量不断增大,其大值区不断向热带外地区转移。从扰动总能量的谱结构来看,扰动能量均呈现升尺度发展的特征。在基于奇异向量初值扰动的GRAPES-GEPS中,随机物理扰动方案的使用均能够显著增加不同地区等压面要素的集合离散度,并在一定程度上改善集合平均误差。由于集合离散度的增大,预报失误率显著减小。连续分级概率评分也有所减小,尤其是在热带地区,改进更为明显。此外,中国地区不同量级(小雨、中雨、大雨和暴雨)降水概率预报技巧在一定程度上得到改善。上述改进均在联合使用SPPT与SKEB方案时最好,这与扰动总能量、扰动与误差相关分析结果一致。 展开更多
关键词 随机物理倾向扰动方案 随机动能补偿方案 模式扰动 扰动特征 集合预报
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华东区域中尺度集合预报系统的改进及2020年梅雨期降水试验
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作者 谭燕 黄伟 +2 位作者 杨玉华 张旭 陈葆德 《大气科学》 CSCD 北大核心 2022年第6期1437-1453,共17页
考虑区域模式预报中不确定性的各种来源,分别引入初始场误差、侧边界误差和模式误差构建新一代华东区域中尺度集合预报系统,并对2020年梅雨期降水开展为期一个月的集合预报试验。通过不同时空尺度典型个例的分析可以看出,所选取的随机... 考虑区域模式预报中不确定性的各种来源,分别引入初始场误差、侧边界误差和模式误差构建新一代华东区域中尺度集合预报系统,并对2020年梅雨期降水开展为期一个月的集合预报试验。通过不同时空尺度典型个例的分析可以看出,所选取的随机物理倾向扰动方案中的参数具备一定的通用性,且在参数调优中加强随机过程的影响,系统中低层的风场和湿度场有明显的反馈,集合系统的离散度得到较大改善,对预报的影响大小依次为:格点方差、随机扰动场的去相关空间和随机扰动场的去相关时间。一个月的梅雨期降水评估结果显示:集合系统升级后对各时次各量级的降水TS(Threat Score)评分均有所提升,但仍然存在着降水强度偏大的问题;从概率预报的角度来看,系统升级后,对中到大雨预报的准确率和可信度提升明显,对强降水事件的描述更准确;形势场的检验结果表明,系统的预报偏差问题得到了部分程度地改善,对大气中低层风场、湿度场和地面变量的预报效果较好。相比原华东区域中尺度集合预报系统,升级后的系统,其整体优势可概括为:预报误差减小、集合离散度明显增加,降水预报的能力在各时段各量级均有提升,其中物理过程的不确定性对于捕捉强降水事件有明显的影响,使得系统的预报可信度增加。 展开更多
关键词 中尺度集合预报 随机物理倾向扰动(sppt) 梅雨 性能分析
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随机物理集合预报研究进展 被引量:1
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作者 陈超辉 王勇 +3 位作者 何宏让 陈祥国 庄潇然 姜勇强 《气象科技进展》 2021年第3期48-57,共10页
考虑模式不确定性的集合预报是集合预报理论研究与业务应用的重要方面。模式不确定性主要源于大气在时间与空间方面的数理简化与有限数值计算,以及物理过程本身的非完美构造。当前盛行方法包括多模式法、多物理过程法以及随机物理法。... 考虑模式不确定性的集合预报是集合预报理论研究与业务应用的重要方面。模式不确定性主要源于大气在时间与空间方面的数理简化与有限数值计算,以及物理过程本身的非完美构造。当前盛行方法包括多模式法、多物理过程法以及随机物理法。本文旨在梳理随机物理集合预报研究进展、应用效果、主要方法、存在问题等方面,归纳相关理论和技术试验结果及科学问题,并探讨未来值得探索与研究的方向,为随机物理集合预报深入应用,以及集合预报相关理论从业人员提供参考与借鉴。 展开更多
关键词 随机扰动参数化倾向方案 随机动能补偿方案 随机扰动参数化方案 模式不确定性 对流允许尺度集合预报
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Impact of Model Bias Correction on a Hybrid Data Assimilation System 被引量:1
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作者 Yu XIA Jing CHEN +3 位作者 Xiefei ZHI Lianglyu CHEN Yang ZHAO Xueqing LIU 《Journal of Meteorological Research》 SCIE CSCD 2020年第2期400-412,共13页
Hybrid data assimilation combines a conventional 3-D or 4-D variational system with background error covariance(BEC)generated from ensemble forecast systems.In order to achieve better BEC,three perturbation schemes,na... Hybrid data assimilation combines a conventional 3-D or 4-D variational system with background error covariance(BEC)generated from ensemble forecast systems.In order to achieve better BEC,three perturbation schemes,namely,the random combination of multiple physical paramterization schemes(referred to as MP),the MP plus stochastical perturbation on physical process tendencies(MP-SPPT),and the unified perturbation of stochastic physics with bias correction(UPSB,proposed by the authors of this paper in a previous work),were first used in a regional ensemble model,i.e.,the Global and Regional Assimilation and Prediction System-Regional Ensemble Prediction System(GRAPES-REPS),and the BECs thus obtained were compared for 7-day ensemble forecasts.The results show that UPSB,which is in fact an MP-SPPT but with the systematic model bias removed,has a better consistency,i.e.,the ratio between root-mean-square error(RMSE)and ensemble spread is much closer to 1,especially at low model levels,compared to the other two schemes.Moreover,the BEC derived from UPSB captured more reasonable distributions of forecast errors.Second,performance of a hybrid data assimilation system(the GRAPES-MESO hybrid En-3DVar)was evaluated by using the BECs from the three perturbation schemes for 7-day hybrid data assimilation forecasts,and thus disclosing the effect of the model bias correction(assuming that the random stocastical features are in general offset in the three perturbation schemes)on the hybrid system forecasts.A covariance weight of 0.8 was prescribed,and this value was determined through sensitivity experiments.The forecast results from the hybrid data assimilation system show that UPSB reduced the false correlation between distant points.The quality of analysis fields of the UPSB scheme shows visible improvement,i.e.,the analysis fields produced by UPSB have much smaller RMSEs than those of the other two schemes,at all vertical model levels.The quality of the hybrid data assimilation forecast fields was also improved by this scheme.Furthermore,the improvement was much greater in the early stage of the assimilation cycle than in the late stage.Generally,the quality of the hybrid data assimilation of GRAPES-MESO hybrid En-3DVar could be efficiently improved by the model bias correction in the UPSB scheme. 展开更多
关键词 ENSEMBLE PERTURBATION hybrid data ASSIMILATION background error covariance(BEC) model systematic BIAS stochastical PERTURBATION on physical process tendencies(sppt)
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