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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， ,u m） 预报技术方法 v=（ v1， v2， ,v n） 概率预报集 pi=（ pi 1， pi 2， , p im） （ 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 Wi0（ i=1,n ） 有 W=（ W1， W2， ,W n） nmnn m m n ppp ppp ppp p p p p 21 22221 11211 2 1 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） =WP 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=maxbj (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。 1 1 n i iw n i ijij pwb 1 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 ECMWF 0、 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： 0 0 0 z se 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 3 cm; ， 冰雹直径约 12cm; ，可能产生龙卷风； 7.4 客观综合预报方法 zse 1 1 1 .18 .12 .7 kmc kmc kmc 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 850 hPa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 Ensemble Forecasting(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 Ensemble Prediction System(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 Fi g . 3 . S 1 - b a se d skil l o f o p e r a tio n a l 3 6 - a n d 7 2 - h o u r le a d tim e Nat ion a l Ce n te r s fo r E n vir o n m e n ta l P r e d icti o n ( NC E P ) 5 0 0 h P a g e o p o te n tia l h e ig h t fo r e ca sts m e a su r e d o ve r th e N o r th A m e r ican r e g ion b e twe e n 1 9 5 5 a n d 2 0 0 1 . C o u r te s y o f NC E P Ce n tra l Op e r a tio n s (N CO) . 1955-2000年北美地区数值天气预报预报技巧的演变。 NCEP 500hPa 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， 35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 ECMWF Newsletter） 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 观测系统 资料同化 用户产品 预报模式 观测数据 初 始 条 件 单一预报 观测系统 资料同化 用户产品 预报模式 初 始 条 件+ 误 差 估 计 目标观测 预 报 误 差 用户需求 原始数据 +误差估计 集合概率预报 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 TL 511（红） 、 控制预报 TL 255（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 Monte Carlo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 IAP L2A GCM1. 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， BGMBV） 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。 500 hPa 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 500 hPa 高度场集合预报分簇平均图 (预报时间 : 1999 年 11 月 1 日 00 时 ; 时效 : 96 h, 即 1999 年 11 月 5 日 00 时 ) 集合预报最重要的应用之一； 可方便地确定某一天气现象发生的概率； 可以简单理解为出现某天气现象的成员数与 集合成员总数之比； 通常还需要使用历史观测和预报资料进行偏 差顶针。 概率分布预报图 观测的风和 42h 集合预报导出的发生大于 40m/s强风的概率 将集合预报系统输出的格点预报结果时间序 列（包括平均场和均方差等），通过 downscaling等方法，映射到站点上，即可形 成单点预报时间序列图。 单点预报时间序列图 （ METEOGRAM） 台风路径概率预报 0 - 120小时台风路径预报 提前 5天的对 2000年 2月侵袭莫桑比克的热带气旋 Eline的 路径的集合预报和确定性预报。 0-24h（蓝）， 48-72h （绿）和 96-120h（粉）气旋的可能位置。 台风“ Neoguri 浣熊” 台风 ” Kalmaegi 海鸥” 台风“ Fung-wong 凤凰” 台风“ Hagupit 黑格比” 集合预报系统（ EPS）的表现通常是用若干个检验 参数来评估的。这些评估表明某个集合预报系统是 一个具有技巧的系统。但是这些检验并不能回答用 户最关心的一个问题：集合预报系统能给我们带来 效益吗？ 如果，通过使用预报，用户采取了否则不会采取的 相应措施，并且从中受益，那么预报对用户是有价 值的。 因此，一个预报系统对一个具体用户的价值 的评估将不仅涉及到预报自身的固有技巧，还涉及 到用户决策过程的详细知识和用户的活动对天气敏 感的精确特性。 概率预报评价 经济价值评价 集合预报在更广泛领域的应用 ECMWF 把集合预报与海浪预报模式耦合， 用大气和海浪集合预报一起制作横渡大西 洋的船舶航线预报； 法国气象局用污染模式与 ECMWF 集合预 报模式耦合，预报海面石油泄漏形成的污 染物飘逸过程。 集合预报与数值模式发展并重 只有建立在一个好的预报模式和能反映初值 或物理过程等不确定性的好的扰动基础上的 集合预报系统才可能显示出比控制预报有更 强的预报能力，随着计算机的发展以及数值 预报模式本身的发展，相信控制预报和集合 预报的水平都会提高，两者共同促进数值预 报的发展。 谢 谢！