预报员与数值预报

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,提 纲,主流业务数值模式,数值模式的科学应用,数值模式与预报员的关系,数值预报在不同灾害性天气预报中的应用几个实例,主流业务数值模式,观测资料,资料同化,数值模式,模式后处理,产品释用,产品发布,3D-Var,4D-VAR,资料的总类/资料预处理,气候模式： 谱模式/格点,全球/区域,全球天气模式谱模式,ECWMF/NECP(GFS)/IAP(LASG)/GRAPESCMA,中尺度模式格点,MM系列NCAR，ETANECP),WRF(NECP),GRAPES(CMA),HRM(德国，AREMLASG,耦合专业模式,风暴潮海浪，海流模式, 沙尘，空气污染(化学模式)，山洪地质灾害。,动力筐架(全方程组,静力稳定/非静力稳定), 物理过程(云物理冰相/水相, 积云,云辐射等, 边界层过程,陆面过程),全球数值天气预报的演变,70S欧洲数值预报中心ECWFEC业务模式，美国GFS模式:,EC模式：T21L9 T42 T63 T106 T213 T511,T799L91 (CHN,T639L60) T1277L91(EC),截断波数: 21 799,垂直分辨率: 9 91,对应的近似网格距: 600Km 15Km,有效预报：12天，23天，35天，57天，,79天 , 810天,理论上说: 目前的全球谱模式可以预报中尺度以,上的天气系统:水平尺度4X15Km(60Km),数值模式的科学应用,数值预报的一般应用方法,数值模式的不确定性与局限性,不同设计原理的数值模式与不同的预报对象,数值预报的一般应用方法,.无论是基于数值预报产品的客观预报还是主观预报都很大程度上依赖于模式预报确实定性.,1客观定量要素预报数学方法,MOS，PPM，SVM，神经元网络,如中央台的分县指导预报，天气在线要素预报等,2动力学解释客观预报物理+数学,数值模式集合预报(不同模式的集合，同一模式不同扰动初值的集合,以数值模式产品作为驱动因子进展的衍生预报,如沙尘预报模式，海浪预报模式，空气质量预报模式，雾霾预报模式，地质灾害预报，火险等级预报，水文洪水预报等,现代天气预报天气学预报方法是通过建立在以经典的天气动力学为核心、以分辨率越来越高的数值天气预报模式为根底、以天气学概念模型别人总结或经历积累为思维比较方式的根底之上开展起来的。,天气系统的配置构造不同风、压高、温、湿等要素的三维空间配制必然导致天气现象不同，如： 1云的预报，高云还是中低云，积云还是层状云；2强对流的预报，雷暴大风？冰雹？还是短时暴雨？3降水相态的预报，雨？雪？冻雨？,3天气学解释主观预报,数值模式的不确定性与局限性,数值模式的不确定性来源于：,1初值的不确定性 模式的本质是建立在确定性初值根底上的,-观测数据的时空分辨率，不同观测仪器直接与反演的随即误差与系统误差,2物理过程的不确定性,-例如云物理过程，相态转化过程，边界层过程，陆面过程，积云参数化过程,有限的观测研究 数学模型，而在实际大气中，每一次过程、每一个区域的这些物理过程都可能存在明显差异 为什么同一个模式对不同天气系统的模拟能力不同？,3动力过程的不确定性,简化方程中被忽略的“次要的的动力过程,例如，全球模式的波长截断等等,非线形过程造成的“混沌,离散化过程,动力过程的数学或物理假设,例如，摩擦过程，拖曳过程，潜热释放过程，干绝热与湿绝热转化过程等等,有限区域模式包括中尺度模式的侧边界过程,数值模式的局限性,数值预报模式产品是在 “多种完美假设前提下的、进展“假设干简化后的“仿真产品。,假设：1全方程组能够真实的描述任何尺度的大气环流特征,2假设干物理过程能够完全描述任何天气现象演变生命史中的物理过程,3天气系统之间的相互作用过程是真实的,4不同性质的大气层之间的相互作用是真实的对流层与平流层，自由大气层与边界层，边界层内部,5 大气与地表圈层之间的相互作用是真实的：边界层与不同性质的下颠面层-水、不同介质的土地表土、沙、水泥与柏油等等、植被地表、冰面等等,事实上，上述5条中没有一条是完全真实的,1全方程组中的假设干要素是无法直接观测得到或不可能完全常规观测的，如湍流系数、摩擦系数、凝结率计算潜热/降水等等,2天气过程中的演变物理过程是通过某些区域、某些过程的有限观测结果提炼的数学模型真实全面？,3、4系统之间、气层之间的相互作用过程大多通过参数化方法得到,5不同圈层的相互作用一般通过模式耦合、参数化、资料同化等得到,模式的不确定性/局限性的后果,1不同模式使用一样初值对应同一时刻的预报场可能产生巨大差异，甚至是不相干的两个场,2同一模式在一样初值的背景下，采用不同的参数化方案或不同的物理过程或不同的同化方案，均可能结果迥异,3同一个模式/一样的物理过程/一样的参数化方案/一样的同化方案，对不同的季节、不同性质的降水过程、不同的天气系统尺度/空间构造、不同气象要素的预报能力差异巨大,不同设计原理的数值模式的应用与预报员的作用,气候模式,实践说明：,(1)气候模式对500hPa的月或季平均场有一定的预报技巧，但是，对降水/气温的预报技巧很低,2气候模式的预报技巧与模式的分辨率并没有直接关系,-预报员的价值在于：对气候模式平均环流与预报要素降水/温度演变关系之间的理解,全球模式,1对天气过程的预报能力-大尺度环流的配置构造72-120小时内的误差是可以被承受的,2理论上按空间分辨率说，全球模式如T799具有中尺度的预报能力，而实质上是所有模式对中尺度以下系统的预报非常不可靠的,-预报员的价值在于：在相对可靠的天气尺度背景下，开掘中尺度灾害性天气可能发生的部位落区、性质、强度与发生时间,中尺度模式,(1) 中尺度模式能够描述局部中尺度系统更大尺度系统激发的中尺度系统，或多尺度系统中的中尺度系统，对于孤立地中尺度系统如热对流、中尺度地形对流系统等等预报能力有限,2随着全球尺度模式分辨率的提高，中尺度模式的平均降水预报的优势正在消失， 但是，目前中尺度模式对降水的中尺度特征的描述是全球尺度模式无法替代的,3中尺度模式的优势在于：计算资源、资料资源特种资料的快速同化、提醒某些中尺度系统的演变机理,积云模式,1主要用于积云形成机理研究，有用于临近预报前景,2用于人影消雹，增雨效果评估研究,数值模式与预报员的关系,没有数值模式，精细短期天气预报业务是不可想象的,没有数值模式，准确地中期天气过程预报几乎是无法业务化的,没有数值模式，延伸期天气过程展望是不可能真正实现的,预报员如果不能科学的使用数值模式，中短期天气预报业务水平的提高是不现实的,数值模式与预报员的关系：汽车工具与司机应用者,1汽车工具离开了司机应用者，如何？,2宝马、夏利两者的平安性、稳定性相比工具优劣，如何？,3宝马发生交通事故预报错误，责任在谁？,4没有汽车数值预报，司机预报员依然可以到达目的地，但是效率？时间？效果？,美国1英寸以上降水相当于大雨以上24小时年平均TS评分红色为预报员水平,兴旺国家预报员的作用,北京市气象台对北京城区一般性降水预报TS评分,中央气象台全国一般性降水的TS评分,模式形势甚至是大气要素的准确性并不能说明地面要素预报的成功,例1,2002-2006年中央气象台,大雨,预报准确率,2002-2006年中央气象台,暴雨,预报准确率,大雨、暴雨准确率现状,例2 地面气温预报,预报误差,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,20时,日本预报,5,8,11,12,-1,-5,欧洲预报,12,11,16,2,7,4,8,12,13,-3,-3,实况,14,13,7,-1,7,8,1,14,14,-1,-2,日最高气温,25.4,24.5,21.6,14.4,8.0,22.0,13.4,14.5,13.1,19.1,13.4,数值预报2006年4月850hpa温度与实况比照,为什么？,？,？,4月6日北京周边地区日最高气温,4月10日北京周边地区日最高气温,15,15,25,20,4月10日14时地面形势,浅层东风春季海陆温差？：,1低云,2强化近地面逆温,预报时效,预报时效,奥运会期间“鸟巢17时气象要素预报中SVM、动力统计和预报员订正比照情况说明：在温度、湿度、风向和降水预报方面，预报员具有一定订正能力。,订正能力来于何处？-在任何形势场背景下，某一个特定地理环境下地面要素的演变规律,温度,湿度,例3,几点提示,数值模式是我们开展要素预报的一种非常有用的“工具，预报员是模式的“主人而不是“奴隶,没有良好的天气过程积累天气系统的时空构造配置、特定天气演变的动力学过程，当地季节性天气特点等，模式形势场即便与实况一致，要素预报也会失败,模式预报形势场的准确性与地面要素预报风、温、降水等等的准确性之间不是一一对应关系,对模式形势场的订正：,从不确定性中找到确定性集合预报的思想、对模式的长期跟踪-了解模式对不同天气系统的预报能力,数值预报在不同灾害性天气预报中的应用,以下数值预报分析的例子完全是“实际预报而不是“事后分析，大量的应用问题我们将在“短期预报思路中进展讲解,区域性暴雨,不同性质的降水强对流、暴雨,持续性天气连阴雨、雨雪,2007年7月3031日华北暴雨的数值预报分析,30日-31日,10,20,50,80,实 况,为什么预报暴雨？暴雨过程符合“河套气旋与切变线华北暴雨模式,局地河北北京之间有可能出现100毫米的降水,当时的短期预报2007年7月29日17时、7月30日05时,D,大陆高压,海上副高,低空急流,台风与ITCZ外围线,虚线：500百帕,实线：850百帕,温度露点差,3,1,黄河气旋切变线暴雨预报模型,暴雨落区,与暴雨中心,27,、,28,、,29,日08时对应30日08时500毫巴,28,、,29,日20时对应30日20时500毫巴,副高：预报有逐渐北抬、块状化趋势,说明暖湿气流有加强趋势,高空槽：冷空气加深,副高： 明显南落说明冷空气势力,高空槽：冷空气加强、维持,注意：高空槽的位置变化与强降水开场、完毕的时间关系,30日暴雨过程预报,(集合预报思路确定性与不确定性),28日08时对应30日08时：,850 wind &RH, 地面气压,28日20时对应30日20时：,850 wind &RH, 地面气压,特点： 1 北京处于低空急流的顶端因此地面低压更完整,2 08时低空急流强于20时，经向度更大，08时北侧的地面高压也更完整,-结合500毫巴，至少可以得出以下几点,1强降水将于08时前后开场，20时降水过程没有完毕，但是雨强将已经趋于减小对流趋于减弱；2降水开场时将发生强烈的对流(?)；3强降水中心位于北京与河北交界位置；4系统空间配置符合北京暴雨的特点,模式预报的检验与完毕时间预报,30日20时客观分析,27日20时对应72小时30日20时预报,华北及北京地区不同性质降水2021年7月9日数值预报分析,大暴雨,中雨,中雨,2021年7月8日,未来24小时预报:,山西中部、河北南部有3060毫米的降水大暴雨；,华北地区中南部含北京中南部，天津大部、内蒙东部1030毫米,雷雨,以稳定性降水为主,8日20时天气系统配置 850wind,RH(色标,500H, surface,850切变,=700切变,切变随高度向北倾斜,；,温度场：,低空降温，700以上增暖,不利于强对流,前倾槽,-500槽线,850切变,2021年11月8日08时预报,华北地区11月8日12日大范围持续雨雪天气过程,11月8日08时全国预报会商,北京地区具体天气预报,天空状况/天气现象,风向风力,最高/最低气温,8日,白天,多云间阴，有雾,E 2、3级,12,夜间,多云转阴有,雨夹雪,E 1、2级,5 ,9日,白天,雨夹雪转小雪,E 2、3级,8,夜间,小雪,E 1、2级,0,10日,小雪转阴,E 2、3级,3/-4,11日,阴转小雪,E 2、3级,2/-5,12日,小雪转多云,2/-6,13日,多云转晴,5/-5,812日,累计降温幅度,1012,24小时或48小时降温达不到寒潮标准,降水起止时间,9日凌晨12日,10日后半天11日前半天可能存在短暂间歇期,降水性质,雨夹雪-雪,华北中部山西中部、河北中西部11-12日可能出现大暴雪,降温幅度与降水性质变化,降温幅度,850hPa累计降温20左右7日10日，但是由于冷空气影响北京之前，低空存在深厚的逆温层，预计地面实际降温幅度远小于850hPa,雨夹雪,雪,降水性质的判断：,T850-2时,以雨为主,-5 T850-2 时,为雨夹雪,T850-5时,雪,冷空气影响方式-华北平原为什么可能出现长时间雨雪天气？,812日500hPa高度,预报平均场,812日地面气压,预报平均场,7日20时初值预报 8日20时综合,1倒槽维持的物理根底低空暖平流也是低空急流开展的条件,2风速辐合的位置虚线，也是冷低层东风暖平流西南气流的交汇区,8日20时700,9日08,9日08,9日20时综合,倒槽更完整，850毫巴东风更大，为什么？,9日20时700,11日,12日,8日20时对应11日20时预报,几点变化：1低空急流加速，说明什么？暖湿平流,2 西侧冷空气侵入干冷平流,与实况相比，切变没有预报出来,北侧东风，南侧西南,切变线位于北京以南，,山西、石家庄等地破记录的暴雪发生在低空急流顶端，切变线南侧,谢谢观赏！,2020/11/5,48,