集合预报进展、挑战及展望

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作者 陈静 朱跃建 +11 位作者 段晚锁 智协飞 闵锦忠 李晓莉 邓国 袁慧玲 冯杰 杜钧 李巧萍 龚建东 沈学顺 穆穆 《气象学报》 北大核心 2025年第3期480-502,共23页

系统概述了集合预报的发展历程和中外主要的集合预报方法,重点回顾了中国全球/区域集合预报系统的发展历程、集合预报系统业务技术、初值扰动技术、模式扰动技术和集合预报应用的进步,以及与当前国际主要数值预报中心集合预报水平的对... 系统概述了集合预报的发展历程和中外主要的集合预报方法,重点回顾了中国全球/区域集合预报系统的发展历程、集合预报系统业务技术、初值扰动技术、模式扰动技术和集合预报应用的进步,以及与当前国际主要数值预报中心集合预报水平的对比。针对集合预报系统逐步走向对流尺度、人工智能模型的趋势,从业务、科研、人工智能与集合预报、天气与气候一体化以及用户需求等方面分析了集合预报技术发展面临的主要挑战,并对未来发展做了展望。 展开更多

关键词 集合预报 方法 中国集合预报 回顾

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AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验 被引量：21

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作者 李俊 杜钧 +2 位作者 王明欢 公颖 赖安伟 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2010年第6期733-742,共10页

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过... 基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。 展开更多

关键词 短期集合预报 初值不确定性 AREM模式 降水 检验

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中尺度暴雨集合预报系统研发中的初值扰动试验 被引量：24

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作者 李俊 杜钧 +1 位作者 王明欢 崔春光 《高原气象》 CSCD 北大核心 2009年第6期1365-1375,共11页

针对2006年5月24～25日一次暴雨过程,通过一系列初值扰动试验探讨实际业务中建立集合预报系统的方法。运用45 km的WRF模式构建一个11个成员的集合预报系统来比较分析不同的扰动方案、扰动的空间结构和扰动振幅对集合预报的影响,结果表明... 针对2006年5月24～25日一次暴雨过程,通过一系列初值扰动试验探讨实际业务中建立集合预报系统的方法。运用45 km的WRF模式构建一个11个成员的集合预报系统来比较分析不同的扰动方案、扰动的空间结构和扰动振幅对集合预报的影响,结果表明:(1)初值扰动的空间结构对暴雨集合预报的离散度影响很关键,而扰动振幅的影响却居次要地位。具有动力学结构的孵化扰动明显优于随机扰动。(2)集合预报比单一控制预报提供了更有价值的预报信息。例如在该个例控制预报中漏报的湖北监利强降水中心,在集合预报中有20%的概率,并且实况被包含在集合预报的预报范围之中。集合平均预报也明显优于控制预报。例如矫正了在控制预报中明显虚报的鄂东北的大暴雨中心,且集合平均预报的暴雨中心落在实际观测暴雨中心的附近。(3)集合离散度较好地反映了实际降水过程的可预报性。例如应用孵化扰动,其离散度的空间结构同降水预报误差的空间分布大致对应。 展开更多

关键词 集合预报 暴雨 随机扰动 孵化扰动 概率 离散度

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“频率匹配法”在集合降水预报中的应用研究 被引量：64

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作者 李俊 杜钧 陈超君 《气象》 CSCD 北大核心 2015年第6期674-684,共11页

基于"频率匹配法"的思路,采用两种方法进行了集合降水预报的订正研究,一种方法是利用集合成员降水频率订正简单集合平均平滑效应的"概率匹配平均"法,另一种方法是利用实况降水频率订正集合成员降水预报系统偏差的&q... 基于"频率匹配法"的思路,采用两种方法进行了集合降水预报的订正研究,一种方法是利用集合成员降水频率订正简单集合平均平滑效应的"概率匹配平均"法,另一种方法是利用实况降水频率订正集合成员降水预报系统偏差的"预报偏差订正"法,通过个例和批量试验,结果表明:(1)概率匹配平均法可以矫正简单集合平均的平滑作用所造成的小量级降水分布范围增大而强降水被削弱的负作用,这种改进对强降水区更显著,并且集合系统离散度越大这种改进也越大;但该方法对预报区域内总降水量的预报没有改进作用,不能改善预报的系统性偏差。(2)虽然预报偏差订正法对降水落区预报的改进有限,但可以订正模式降水预报的系统性误差,改进雨量预报以及集合预报系统的离散度特征和概率预报技巧;直接对集合平均预报进行偏差订正的效果优于单个成员偏差订正后的简单算术平均。(3)在对每个集合成员的降水预报进行偏差订正后,概率匹配平均仍可改善其简单平均的效果,因此在实际业务中,应该综合采用上述两种方法,以获得在消除系统性偏差的同时各量级降水分布又合理的集合平均降水预报。 展开更多

关键词 降水预报 集合预报 频率或概率匹配 集合平均 偏差订正

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中尺度多模式超级集合预报对2010年6月19—20日中国南方大暴雨过程的分析 被引量：13

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作者 吴政谦 徐海明 +6 位作者 王东海 邢谦 王峰云 杜钧 冯涛 刘英 尹金方 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2012年第5期653-663,共11页

运用BGM扰动方案,基于ARPS和WRF模式并采用不同的物理过程参数化方案建立了一个多模式、多初值、多物理过程的中尺度超级集合预报系统,并针对2010年6月19—20日的一次华南强降水过程进行分析。结果表明:该超级集合预报系统能很好模拟这... 运用BGM扰动方案,基于ARPS和WRF模式并采用不同的物理过程参数化方案建立了一个多模式、多初值、多物理过程的中尺度超级集合预报系统,并针对2010年6月19—20日的一次华南强降水过程进行分析。结果表明:该超级集合预报系统能很好模拟这次对初值及物理过程都非常敏感的强降水过程。相对于单一确定性预报而言,该超级集合预报能显著提高预报时效,能比控制预报提前24～36小时捕捉到强降水信息。并且该集合预报优于单一模式或者单一物理过程参数化的集合预报。对本次过程而言,集合平均对物理过程参数化方面带来的不确定性的改进比对模式不确定性方面的改进大得多。对于暴雨预报而言,低层的形势场对初值及物理过程的扰动比高层要敏感得多,这也是造成这次过程各个成员预报好坏的重要原因之一。 展开更多

关键词 天气预报 数值模拟 超级集合 暴雨 聚类分析

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北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验 被引量：43

6

作者 李俊 杜钧 刘羽 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第1期50-71,共22页

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日("7.21")北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分... 采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日("7.21")北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似,都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度,并且主要集中在强降水中心附近,因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度,但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km),其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大,并且能部分消除预报系统偏差。(3)所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致,即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。 展开更多

关键词 北京“7.21”暴雨 集合预报 初值扰动 多物理过程 随机物理扰动

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混合集合预报法在华南暴雨短期预报中的试验 被引量：9

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作者 唐圣钧 王东海 +1 位作者 杜钧 周镜石 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2015年第6期669-679,共11页

基于ARPS和WRF模式的多初值、多物理方案的集合预报系统,检验由高、低空间分辨率模式集成的结果。针对2013年5月8日华南地区强降水过程,设计ARPS模式集合、WRF模式集合和ARPS-WRF多模式集合3组试验,对比分析混合集合预报法与传统方法的... 基于ARPS和WRF模式的多初值、多物理方案的集合预报系统,检验由高、低空间分辨率模式集成的结果。针对2013年5月8日华南地区强降水过程,设计ARPS模式集合、WRF模式集合和ARPS-WRF多模式集合3组试验,对比分析混合集合预报法与传统方法的降水预报效果。结果表明:ARPS模式集合改善了广东省南部局地强降水预报,该方法在中雨、大雨、暴雨量级改进效果显著。WRF模式集合对广东省北部强降水预报优于ARPS模式集合,但空报、漏报率较大,该方法有一定局限性。ARPS-WRF多模式集合在降水落区和量级预报上均优于传统方法。混合集合预报法利用低分辨率(36 km)集合预报和高分辨率(12 km)控制预报实现了高分辨率(12 km)集合预报,改善了降水预报效果,该方法可为业务高分辨率集合预报提供参考。 展开更多

关键词 混合集合预报法 高分辨率 华南暴雨

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集合预报的现状和前景 被引量：192

8

作者 杜钧 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2002年第1期16-28,共13页

综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法———集合预报。随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实 ,这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。未来的天... 综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法———集合预报。随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实 ,这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。未来的天气预报产品预计将从“决定论”的预报转变为“随机论”的预报来正确地表达气象科学中这一所谓“可预报性问题” ,以便更好地为用户服务。文中扼要地叙述了集合预报的概念、基本问题及其最新的研究动态和发展 ,包括 (1 )如何建立和评估一个集合预报系统 ;(2 )如何正确地表征大气初值和模式物理过程的不确定性与随机性 ;(3 )如何从集合预报中提炼有用的预报信息和合理地解释、检验集合预报的产品 ,特别是概率预报。除了直接在天气预报上的应用 ,还提到集合预报在气象观测和资料同化方面应用的动态 。 展开更多

关键词 集合预报 随机性 确定性 可预报性 概率预报 数值天气预报

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预报异常极端高影响天气的“集合异常预报法”:以北京2012年7月21日特大暴雨为例 被引量：51

9

作者 杜钧 Richard H.GRUMM 邓国 《大气科学》 CSCD 北大核心 2014年第4期685-699,共15页

对罕见极端高影响天气,既使一个模式有能力预报它,其数值预报也至少有以下难点:一是有多大把握确定所预报的天气是极端事件?二是其具体的定时、定量、定点预报可靠吗?本文介绍了集合预报和气候资料相结合的"集合异常预报法",... 对罕见极端高影响天气,既使一个模式有能力预报它,其数值预报也至少有以下难点:一是有多大把握确定所预报的天气是极端事件?二是其具体的定时、定量、定点预报可靠吗?本文介绍了集合预报和气候资料相结合的"集合异常预报法",并通过北京2012年7月21日(7.21)特大暴雨事件揭示出"集合异常预报法"和集合预报可以提供比单一模式预报更可靠和更准确的信息,从而可有效地缓解上述两大难点。作者建议中央气象台和其他有条件的台站可采用这种办法提高重大灾害性天气的预报能力。文中具体讨论了如下三方面:(1)标准化异常度(SA)的定义以及它同集合预报相结合提高对罕见极端高影响天气预报的可靠性,并由此可导出一个"社会影响矩阵"来定量地表达一个预报对社会的潜在影响;(2)利用集合预报,特别是多模式集合预报可以克服单一模式前后预报的跳跃性或不连续性问题,由此可延长实际可预报时效,如北京7.21事件超过100 mm大暴雨的实际可预报时效提前了2天;(3)SA还有助于认识异常天气发生的原因:从SA的分布看,造成北京7.21大暴雨事件的短期天气尺度背景因素是从西北方向移来的冷锋和台风倒槽的相遇;从SA的演变看,该事件的中期大背景因素是在北京东北方向有阻塞高压发展并导致北京以西地区的低槽加强和发展(地面强冷空气堆积),在高纬度形成了一个高、低压系统相间的波列,发展并维持,同时诱导热带系统北进。 展开更多

关键词 极端高影响天气 北京7 21大暴雨 社会影响矩阵 可预报性 标准化异常度 集合预报 集合异常预报法

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降水偏差订正的频率(或面积)匹配方法介绍和分析 被引量：93

10

作者 李俊 杜钧 陈超君 《气象》 CSCD 北大核心 2014年第5期580-588,共9页

针对AREM模式降水预报的偏差特征,开展了基于频率(或面积)匹配方法的降水偏差订正试验,重点介绍了该方法的原理和实现过程,并对订正前后的结果进行了系统检验,深入分析了该方法的优缺点并指出了可能的改进方向。经过3个月降水集中期(201... 针对AREM模式降水预报的偏差特征,开展了基于频率(或面积)匹配方法的降水偏差订正试验,重点介绍了该方法的原理和实现过程,并对订正前后的结果进行了系统检验,深入分析了该方法的优缺点并指出了可能的改进方向。经过3个月降水集中期(2012年6—8月)的逐日试验分析结果表明:(1)该方法能显著改善模式降水预报中雨量和雨区范围的系统性偏差,订正后降水预报的范围和平均强度与实况更加接近;(2)偏差愈大订正效果愈好;(3)原理上此法不能订正降水的落区位置偏差,但通过改变雨区范围的大小,订正后降水预报的TS和ETS的评分也有一定程度提高,尤其是小雨量段,订正使数值预报的"有雨或无雨"的定性降水预报的质量得到明显改善。针对该方法"不能改进降水落区偏差"的局限性,提出了5种可以改进和尝试的方法,同时指出,该方法和原理可以用于单站降水预报、雾和水文的流域预报的偏差订正。 展开更多

关键词 频率或面积匹配 降水预报 偏差订正 降水检验

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中国东部7类暴雨异常环流型 被引量：24

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作者 钱维宏 蒋宁 杜钧 《气象》 CSCD 北大核心 2016年第6期674-685,共12页

近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系... 近年来的研究发现,瞬变扰动天气图上的扰动场天气系统对区域暴雨的落区指示能力强于传统天气图上的总场天气系统。为供预报员在业务预报中参考,本文划分1998年发生在中国东部地区的41日次区域暴雨为7类扰动场天气系统。与区域暴雨相联系的7类异常环流型分别是:华南切变线、华南涡旋、华南倒槽、长江切变线与槽、沿江涡旋、华北涡旋和东北涡旋。无论是在对流层的垂直剖面上,还是在850 hPa水平分布上,扰动天气图上位势高度低值和风扰动辐合处并配合大的水汽扰动对应有区域暴雨,而传统天气图上的低值系统和高水汽区与暴雨之间存在位置上的偏移。由此建议,用实况大气变量和中期数值模式产品绘制扰动天气图有助于预报员确定区域暴雨落区。 展开更多

关键词 区域暴雨 传统天气图 扰动天气图 异常环流型

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不同扰动方法集合离散度演变的异同性暨地形扰动初探 被引量：9

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作者 李俊 杜钧 +1 位作者 刘羽 许建玉 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期123-146,共24页

基于北京"7.21"特大暴雨个例,设计了一种考虑地形不确定性对降水影响的集合预报方案,在对该方案进行初步评估的基础上,重点通过计算相关系数、扰动总能量和尺度分解,对包括地形扰动方案在内的4种集合预报方案(初值、多物理、... 基于北京"7.21"特大暴雨个例,设计了一种考虑地形不确定性对降水影响的集合预报方案,在对该方案进行初步评估的基础上,重点通过计算相关系数、扰动总能量和尺度分解,对包括地形扰动方案在内的4种集合预报方案(初值、多物理、地形、初值-多物理混合)中离散度演变的异同性进行了分析。结果表明:(1)考虑模式地形不确定性的扰动方案,在不影响集合平均降水预报质量的基础上,对集合降水预报的离散度和概率预报略有正贡献。(2)离散度空间结构的演变与天气形势的演变密切相关。不同扰动方案产生的离散度在初始时刻的空间分布各不相同,但随模式向前积分其离散度的相似度快速增大,其中0—6 h内增长速度最快,离散度场之间的相关系数可以超过0.6。混合方案与单一扰动方案相比,对离散度空间结构的贡献不大。(3)虽然不同方案的离散度空间结构相似,但其幅度却存在明显的差异,如地形扰动方案的离散度幅度明显小于初值扰动和物理过程扰动方案。混合方案可以增加原单一扰动方案的离散度振幅,但这种增加在高层明显,而在近地面层并不明显,因而增加降水和其他近地面大气变量的离散度要比增加上层大气变量的离散度更困难。(4)尺度分离的结果表明,随着空间尺度的增大和积分时间的延长,不同扰动方法产生的离散度结构会逐渐变得相似,但在积分早期(<12 h)和较小的空间尺度(<448 km)上离散度结构的差异仍明显,并且在较小的空间尺度(<448 km)上,不同扰动方法产生的离散度幅度有明显的差异。所以对于小空间尺度系统或甚短期预报,选择扰动方案比大尺度和较长期的预报更重要。以上研究可为集合预报如何合理采用不同扰动方案或不同方案的组合提供科学依据。 展开更多

关键词 北京“7.21”大暴雨 集合预报 地形扰动 初值和物理扰动 离散度的异同性

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扰动变量在强对流天气分析和模式评估中的应用——以苏北里下河地区引发龙卷的扰动系统为例 被引量：10

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作者 钱维宏 梁卓轩 +4 位作者 金荣花 符娇兰 吴芳芳 邝珠江 杜钧 《气象》 CSCD 北大核心 2017年第2期166-180,共15页

2016年6月23日14:00—15:00时,江苏省盐城市阜宁县发生了EF-4级有记录以来的强龙卷风过程,造成了当地30 km长,1.7 km宽的严重气象灾害。受局地环境影响,邻近地区在近50年中发生了大于10人次死亡事件的龙卷风11次,其中6次发生于1979年以... 2016年6月23日14:00—15:00时,江苏省盐城市阜宁县发生了EF-4级有记录以来的强龙卷风过程,造成了当地30 km长,1.7 km宽的严重气象灾害。受局地环境影响,邻近地区在近50年中发生了大于10人次死亡事件的龙卷风11次,其中6次发生于1979年以后。文章首先是:(1)把6次事件日的再分析变量场分解成瞬时气候和扰动两个部分,发现6次事件都与近地面层出现的负高度扰动轴线和扰动冷暖气团的对峙有关,龙卷发生在暖气团一侧;(2)用模式初始场分解的扰动变量和扰动物理量评估欧美模式对产生阜宁龙卷扰动系统的预报能力。后者的结果也发现,当日14时925 hPa高度扰动槽和850 hPa扰动风辐合线作为环境扰动系统,以及湿涡度扰动和湿散度扰动等环境扰动指标量能够突出地表达有利于龙卷风发生的环境条件。欧洲全球模式能够提前42 h稳定预报出后来扰动槽和环境扰动指标量的位置,美国全球模式也可以提前18 h预报出这样的扰动特征。这些扰动变量和扰动指标量能够快速地帮助预报员判断有可能发生强对流天气的大致时空区域和特征。 展开更多

关键词 龙卷风 扰动变量 次天气尺度系统 模式预报能力 评估

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