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1、第1页，共87页，编辑于2022年，星期日第2页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法多元决策加权法多元决策加权法数学原理设预报对象 u=（u1，u2，,um）预报技术方法 v=（v1，v2，,vn）概率预报集 pi=（pi 1，pi 2，,pim）（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，,Wn）第3页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综
2、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。第4页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法例解：安徽省台暴雨集成预报方法例解：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：预报对象：暴雨（一个等级），技术方法：4 4种种第5页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章
3、 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法例解：安徽省台暴雨集成预报方法例解：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6页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法例解：安徽省台暴雨集成预报方法例解：安徽省台暴雨集成预报方法物理量诊断分析预报物理量诊断分析预报 统计出统计出7 7条指标，每
4、条指标，每满足一条指标累加满足一条指标累加1/71/7几几率，得出每个格点的概率率，得出每个格点的概率预报预报P2P2值，绘出第二张概值，绘出第二张概率预报图。率预报图。第7页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法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8页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法例解：安徽省台暴雨集成预报方法例解：安徽省台暴雨集成
5、预报方法卫星云图定量分析预报卫星云图定量分析预报p p3 3=(A(A0 0*B*B0 0)+(A)+(A0 0*B*B0 0-A-At t*B*Bt t)/300/300式中：式中：A A表示每个格点周围表示每个格点周围5 50 0*5*50 0范围内的灰度平均值范围内的灰度平均值 B B表示灰度值大于等于表示灰度值大于等于220220的格点数的格点数 A*B A*B表示暴雨的预报因子表示暴雨的预报因子 下标下标0 0表示离预报最近的云图时间，下标表示离预报最近的云图时间，下标t t表示前表示前t t小时云图小时云图预报员经验预报：预报员经验预报：综上综上4 4种方法：种方法：有有W=W=（
6、75%75%，75%75%，65%65%，65%65%）P=P=（75P1+75P2+65P3+65P475P1+75P2+65P3+65P4）/280/280第9页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法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：预报员经验预报第10页，共87页，编辑于2022年，星期日7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法集成预报（图集成预报（图e e）根据近年来各种方法的预报准确率情况，将各自预报根据近年来各种方法的预报准确
7、率情况，将各自预报的准确率换算成权重系数：的准确率换算成权重系数：W=(75%,75%,65%,65%)W=(75%,75%,65%,65%)每个格点的综合预报方程即为：每个格点的综合预报方程即为：P=(75P1+75P2+65P3+65P4)/280 P=(75P1+75P2+65P3+65P4)/280第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报第11页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.4 7.4 客观综合预报方法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12页，共87页
8、，编辑于2022年，星期日第13页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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；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；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地不稳定局地不稳定;判断暴雨的形成条件判断暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预
9、报方法客观综合预报方法第14页，共87页，编辑于2022年，星期日第15页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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；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；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地不稳定局地不稳定;判断暴雨的形成条件判断
10、暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第16页，共87页，编辑于2022年，星期日第17页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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；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；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地
11、不稳定局地不稳定;判断暴雨的形成条件判断暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第18页，共87页，编辑于2022年，星期日福建省气候概况福建省气候概况春季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：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：34月称春月称春雨期，雨期，56月称霉雨期。月称霉雨期。34月份还是我省降雹高峰期。月份还是我省降雹高峰期。夏季夏季79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
12、三种是辐合区制约下的局部或区域性雷雨天气。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。秋季秋季10101111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。热带气旋或热带气旋和冷空气共同作用下的天气。9 9月底月底1010月初，冷空气南侵的纬度扩月初，冷空气南侵的纬度扩展，我省出现寒露风。展，我省出现寒露风。1010月下旬，在强冷空气下，闽江西北可能出现初霜。秋季由于南月下旬，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
13、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。一个相对的少雨季节。冬季冬季1212月次年月次年2 2月，冬季冷空气活动周期，在正常情况下，大约月，冬季冷空气活动周期，在正常情况下，大约5 57 7天。每次冷天。每次冷空气入侵时，气温连续下降空气入侵时，气温连续下降2 23 3天，以后又连续回升天，以后又连续回升3 34 4天，紧接着下一次冷空气天，紧接着下一次冷空气又来，又来，“三寒四暖三寒四暖”循环不止。每年均有几次强冷空气侵入，造成较剧烈降温，但循环不止。每年均有几次强冷空气侵
14、入，造成较剧烈降温，但达到寒潮标准的，平均每年不过达到寒潮标准的，平均每年不过2 2次。次。第19页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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；的预计；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地不稳定局地不稳
15、定;判断暴雨的形成条件判断暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第20页，共87页，编辑于2022年，星期日第21页，共87页，编辑于2022年，星期日第22页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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；水形式的预计；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；本地区具
16、体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地不稳定局地不稳定;判断暴雨的形成条件判断暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第23页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报7.47.4客观综合预报方法客观综合预报方法局地气象条件分析：局地气象条件分析：气团指标（气团指标（K K指数）指数）K=K=（T T850850-T-T500500）+T+Td850d850-（T-TT-Td d）700700T-LnPT-LnP图图对流性不稳定或位势不稳定的判据：对流性不稳定或位势不稳定的判据：对流性不稳定层结对流性不稳
17、定层结中性层结中性层结对流性稳定层结对流性稳定层结单站高空风：分析冷暖平流、垂直稳定度等单站高空风：分析冷暖平流、垂直稳定度等地形影响：地形影响：迎风坡，背风坡迎风坡，背风坡峡谷风，山谷风，海陆风等峡谷风，山谷风，海陆风等第24页，共87页，编辑于2022年，星期日第25页，共87页，编辑于2022年，星期日第26页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、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
18、量和降水形式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；的预计；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；本地区具体影响系统及影响部位垂直运动；预报季节气候预报季节气候;水汽水汽;局地不稳定局地不稳定;判断暴雨的形成条件判断暴雨的形成条件7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第27页，共87页，编辑于2022年，星期日第28页，共87页，编辑于2022年，星期日1.卫星云图卫星云图第29页，共87页，编辑于2022年，星期日2.低空水汽通量辅合区很大；低空水汽通量辅合区很大；第30页，共87页，编辑于2022年，星期日3.相应的天气尺度系统中高空冷平流和低层冷平相
19、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；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；天气系统中风的垂直切变较弱；第31页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、暴雨、雨凇的预报判断冰雹的形成条件判断冰雹的形成条件 1 1。雷达回波云顶高度可达。雷达回波云顶高度可达13km13km以上；以上；2 2。0C0C层在层在4km4km左右，左右，-20-20度层约在度层约在400hPa400hPa，其间厚度不大；，其间厚度不大；3 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
20、：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，冰雹直径约3 cm;3 cm;，冰雹直径约，冰雹直径约12cm;12cm;，可能产生龙卷风；，可能产生龙卷风；7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第32页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、暴雨、雨凇的预报判断降雪和冻雨的形成条件判断降雪和冻雨的形成条件 1 1。若云中温度和云底以下温度低于。若云中温度和云底以下温度低于0 0度度,将降雪将降雪;2 2。若云体内下半部温度高于。若云体内下半部温度高于0 0度度,而云底以下温度低于而云底以下温
21、度低于0 0度度,可能降冻雨可能降冻雨;7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第33页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报降水、暴雨、雨凇的预报降水、暴雨、雨凇的预报雨淞预报雨淞预报 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
22、过。7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第34页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报云雾的云雾的预报预报 较较常常见见的的雾雾是是辐辐射射雾雾和和平平流流雾雾两两种种。辐辐射射雾雾是是由由夜夜间间辐辐射射降降温温引引起起近近地地面面气气层层水水汽汽凝凝结结而而成成的的。平平流流雾雾则则是是因因为为暖暖湿湿空空气气平平流流到到较较冷冷的的下下垫垫面面上上，空空气气变变冷冷水水汽汽凝凝结结成成雾雾。预预报报雾雾需需根根据据当当地特点，统计归纳自行的预报指标，一般预报考虑的思路为：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
23、含量足够多，一般要求相对湿度大于空气中的水汽含量足够多，一般要求相对湿度大于75%75%；降降温温幅幅度度足足够够大大，夜夜间间无无云云或或少少云云将将会会引引起起大大的的辐辐射射降降温温。或或者者下下垫垫面面空空气与移来的空气气团之间的温差足够大；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。质趋近，不利于雾的形成。7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第35页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报极端气温、霜
24、冻、寒露风及干旱风的极端气温、霜冻、寒露风及干旱风的预报预报 极端气温极端气温 平流；平流；辐射；辐射；变性；变性；霜冻霜冻 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；最低温度与最低气温的差值来预报；7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第36页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报极端气温、霜冻、寒露风及干旱风的
25、极端气温、霜冻、寒露风及干旱风的预报预报 寒露风的预报；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。一般指日平均气温指日平均气温20.020.0（23.023.0）日数）日数33天的天气过程；或虽持天的天气过程；或虽持续时间不到续时间不到3 3天，但最低气温天，但最低气温15.015.0，相对湿度，相对湿度30%30%，最大风力，最大风力55级的天气。级的天气。对寒露风的预报同秋季对冷空气的预报对寒露风的预报同秋季对冷空气的预报。干热风的预报干热风的预报 对对干干热热风风的的预预报报的的一一般般思思路路同同最最高高温
26、温度度预预报报思思路路，但但在在最最高高温温度度预预报报的的基基础础上上需侧重注意以下两点：需侧重注意以下两点：7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第37页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报极端气温、霜冻、寒露风及干旱风的极端气温、霜冻、寒露风及干旱风的预报预报干热风的预报干热风的预报 天天气气过过程程的的形形势势演演变变。一一般般是是在在冷冷空空气气南南下下而而北北方方无无明明显显降降水水过过程程之之后后，北北方方处处在在高高空空槽槽后后高高压压脊脊的的控控制制下下，并并有有明明显显的的暖暖平平流流；地地面面或或850 850 hPah
27、Pa温温度度场场出现北方暖、南方冷的局面，气压场转为南高北低的形势。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暖平流达到一定的强度；在在这这种种环环流流背背景景下下，高高空空暖暖空空气气下下沉沉增增温温，近近地地面面晴晴空空辐辐射射增增温温，两两者者共共同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。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 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第38页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报风的风的预报预报按地转风原理和梯度风原理，估计近似值，这一项取
28、决于影响系统的气压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；场；考虑下垫面摩擦作用。陆地上风向偏向低压一侧考虑下垫面摩擦作用。陆地上风向偏向低压一侧30-4530-45度，风速约度，风速约为地转风的一半。海面上风向偏向低压一侧约为地转风的一半。海面上风向偏向低压一侧约1515度，风速约是地转风度，风速约是地转风的的2/32/3。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
29、区域。区域。7.4 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第39页，共87页，编辑于2022年，星期日第七章第七章 综合分析与预报综合分析与预报风的风的预报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。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，尤其是对于当差异影响，进行判断和订正。对
30、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。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 7.4 客观综合预报方法客观综合预报方法第40页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报及其应用简介集合预报及其应用简介EnsembleForecasting(Prediction)；ensemble：n.全体，剧团，联合演出人员，合奏曲，全体，剧团，联合演出人员，合奏曲，系系综；综；系综：系综：ensemble，在一定的宏观条件下，大量性质和结，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、各自独立的系统构完全相
31、同的、处于各种运动状态的、各自独立的系统的集合。的集合。集合预报：集成预报、系综预报集合预报：集成预报、系综预报EnsemblePredictionSystem(EPS)：集合预报系统；：集合预报系统；第41页，共87页，编辑于2022年，星期日数值天气预报（数值天气预报（NWP）的成功是）的成功是20世纪最重要的科学、世纪最重要的科学、技术和社会成就之一。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。论和业务应用流程。
32、过去过去25年来，数值天气预报的技巧有明显提高，至少年来，数值天气预报的技巧有明显提高，至少是每十年增加是每十年增加1天。天。数值天气预报的发展数值天气预报的发展第42页，共87页，编辑于2022年，星期日1955-2000年北美地区数值天气预报预报技巧的演变。年北美地区数值天气预报预报技巧的演变。NCEP 500hPa 高度场高度场S1评分。评分。第43页，共87页，编辑于2022年，星期日高影响天气预报的准确率需要提高。高影响天气是指对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
33、的发生是小概率事件，但其后果可能是灾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难性的。改进高影响天气的预报技巧是21世纪面临的重世纪面临的重大科学与社会挑战之一。大科学与社会挑战之一。预报时效需要从预报时效需要从7天扩展到天扩展到14天，达到中短期天气预报的天，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，共同解决极限值。然后再进一步与气候预报相衔接，共同解决2周周到几周的天气预报，这是目前无缝隙预报的主要问题。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目前天气预报面临的问题第44页，共87页，编辑于2022年，星
34、期日数值天气预报的不确定性数值天气预报的不确定性初始条件不确定性初始条件不确定性。初始误差随时间增长，初始误差随时间增长，35天时误天时误差翻倍，小的误差增长更快。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。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
35、续时空的计算方法都会带来一定误差。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严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法第45页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报概念的集合预报概念的PDF描述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（统（EPS）来估计可能预报结果发生的概率。）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（不确定性可由概率密度函数（PDF）表征。它是由）表征
36、。它是由不同集合成员构成的频率分布。不同集合成员构成的频率分布。第46页，共87页，编辑于2022年，星期日初始不确定性初始不确定性=初始状态的可初始状态的可能分布能分布单一确定性预报单一确定性预报实况实况集合成员集合成员预报不确定性预报不确定性=预报状态的可能预报状态的可能分布分布用用PDF变化来描述的集合预报概念图（引自变化来描述的集合预报概念图（引自ECMWFNewsletter）集合预报概念集合预报概念的的PDF描述描述第47页，共87页，编辑于2022年，星期日集合集合预报预报数数值值模式模式A数值模式数值模式B数值模式数值模式A数值模式数值模式A数值模式数值模式C数值模式数值模式A
37、初始条件初始条件1初始条件初始条件3初始条件初始条件2初始条件初始条件4初始条件初始条件5初始条件初始条件6集合预报示意图集合预报示意图第48页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报的分类集合预报的分类按照不确定性的来源：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；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；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
38、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。预报结果再进行集合。“Poor-man”集合预报系统和超级集集合预报系统和超级集合预报系统也属于此类。合预报系统也属于此类。按照时间尺度可分为：短期、中期、月动力延伸和气按照时间尺度可分为：短期、中期、月动力延伸和气候预测。候预测。第49页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报系统集合预报系统集合预报系统流程图集合预报系统流程图初始扰动生成初始扰动生成数值预报模式数值预报模式集合预报产品集合预报产品预报检验评价预报检验评价考虑初始状态不确定性考虑初始状态不确定性考虑模式不确定性考虑模式不确定性提供浓缩信息提供浓缩信息
39、为用户使用系统和改进系统提供依据为用户使用系统和改进系统提供依据第50页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报系统与传统预报系统集合预报系统与传统预报系统观测系统观测系统资料同化资料同化用户产品用户产品预报模式预报模式观测数据观测数据初初始始条条件件单一预报单一预报观测系统观测系统资料同化资料同化用户产品用户产品预报模式预报模式初初始始条条件件+误误差差估估计计目标观测目标观测预预报报误误差差用户需求用户需求原始数据原始数据+误差估计误差估计集合概率预报集合概率预报传统预报系统流程图传统预报系统流程图 新的考虑新的考虑目标观测目标观测的集合预报系统流程图的集合预报系统流程图 第51页，共
40、87页，编辑于2022年，星期日集合预报的意义集合预报的意义平均值：平均值：集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它集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。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）：方差（集合预报离散度）：集合预报方差是控制预报或确定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。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：天气事件发生概率：集合预报可方便地确定某一天气现象
41、集合预报可方便地确定某一天气现象发生的概率。发生的概率。对极端事件的预报能力：对极端事件的预报能力：增加了对极端事件的预报能力。增加了对极端事件的预报能力。第52页，共87页，编辑于2022年，星期日五五天天以以后后，集集合合预预报报平平均均值值的的技技巧巧超超过过控控制制预预报报和和确确定定性性业业务务预预报报的的技技巧巧全球全球500hPa距平相关系数：距平相关系数：ECMWF集合预报平均（绿）集合预报平均（绿）、业务模式业务模式TL511（红）（红）、控制预报控制预报TL255（蓝）（蓝）和和UK全球模式（黄）全球模式（黄）。第53页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报的发展与现
42、状集合预报的发展与现状第54页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报方法的提出与发展集合预报方法的提出与发展1960-1970年代，年代，Epstein和和Leith提出了集合预报思提出了集合预报思想和方法，采用想和方法，采用MonteCarlo随机扰动方法；随机扰动方法；1983年，年，Hoffman提出提出LAF（滞后平均）方法；（滞后平均）方法；NCEP和和ECMWF分别于分别于1992、1994年基于年基于BGM和和SV方方法建立了各自的集合预报业务系统；法建立了各自的集合预报业务系统；CMC基于基于PO（扰动观测方法）建立了其集合预报（扰动观测方法）建立了其集合预报业务系统；业
43、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、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。月动力延伸和气候预测发展。第55页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报应用现状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。面也开始广泛应用。NCEP已建立了短期集合预报系已建立了短期集合预报系统（统（SREF）。）。以美国以美国NCEP、欧洲、欧洲ECMWF和加拿大和加拿大MSC为代表，这三为代表，这三个中心使用各自开发的初始扰动方法和模式。个中心使用各自开发的初始扰动
44、方法和模式。中国采用中国采用ECMWF的的SV方法构建方法构建EPS。日本、南非等国使用日本、南非等国使用NCEP的的BV方法构建方法构建EPS。第56页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报应用现状集合预报应用现状NCEP、ECMWF和和MSC-EPS的集合平均预报效果检验结果的集合平均预报效果检验结果第57页，共87页，编辑于2022年，星期日中国集合预报研究应用现状中国集合预报研究应用现状国家气象中心于国家气象中心于1996年采用年采用LAF方法建立了第一代中期集方法建立了第一代中期集合预报系统，合预报系统，T63L16；1999年采用年采用SV方法（方法（T21L16）建立了第二
45、代中期集合）建立了第二代中期集合预报系统，预报系统，T63L16；1999年年底采用年年底采用SV方法（方法（T21L19）建立了第二代中期集合）建立了第二代中期集合预报系统，预报系统，T106L19，投入准业务运行；，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；解放军理工大学也在开展中期集合预报研究；基于基于GRAPES模式的集合预报系统。模式的集合预报系统。第58页，共87页，编辑于2022年，星期日中国集合预报研究应用现状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；的研究；张永山、杨辉、陈丽娟等对
46、月动力延伸集合预报产张永山、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；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；的敏感性；赵彦、郭裕福使用赵彦、郭裕福使用IAPL2AGCM1.1模式对短期气模式对短期气候数值预报中的集合个数问题进行了研究；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；袁重光等对气候预测中的集合方法进行了探讨；第59页，共87页，
47、编辑于2022年，星期日中国集合预报研究应用现状中国集合预报研究应用现状王晨稀、端义宏利用王晨稀、端义宏利用MM5模式通过选择模式的积云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；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周霞琼等首先用正压模式进行了热带气旋(TC)路径集合路径集合预报试验；预报试验；陈静、薛纪善等用陈静、薛纪善等用MM5模式进行了华南中尺度暴雨数值模式进行了华南中尺度暴雨数值预报的集合预报试验；预报的集合预报试验；第60页，共87页，编辑于2022年
48、，星期日中国集合预报研究应用现状中国集合预报研究应用现状第61页，共87页，编辑于2022年，星期日初始扰动生成原理与方法初始扰动生成原理与方法第62页，共87页，编辑于2022年，星期日几种初始扰动产生的方法几种初始扰动产生的方法 随机方法随机方法随机方法随机方法 时间滞后方法时间滞后方法时间滞后方法时间滞后方法 增长模培育法（增长模培育法（增长模培育法（增长模培育法（NCEPNCEP方法，方法，方法，方法，BGMBVBGMBV）奇异向量方法（奇异向量方法（奇异向量方法（奇异向量方法（ECMWFECMWF方法，方法，方法，方法，SVSV）扰动观测方法（扰动观测方法（扰动观测方法（扰动观测方法
49、（CMCCMC方法，方法，方法，方法，POPO）主要问题：主要问题：大气动力系统相空间的维数很高，但初始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。性，需要对物理过程加扰动。第63页，共87页，编辑于2022年，星期日集合预报产品集合预报产品第64页，共87页，编辑于2022年，星期日主要的集合预报产品主要的集合预报产品 集合平均与均方差集合平均与均方差集合平均与均方差集合平均与均方差 RMOPRMOP“面条面条面条面条”图图图图“邮票邮票邮票邮票”图图图图 分簇图分簇图分簇图分簇
50、图 概率分布平面图概率分布平面图概率分布平面图概率分布平面图 极端天气分布图极端天气分布图极端天气分布图极端天气分布图单点要素时间序列图单点要素时间序列图单点要素时间序列图单点要素时间序列图MeteogramMeteogram 台风路径概率预报台风路径概率预报台风路径概率预报台风路径概率预报第65页，共87页，编辑于2022年，星期日集合平均和离散度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；描述概率密度函数特性的两个重要参量；均值：均值：集合预报平均值的技巧高于控制预报和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，均其它集合预报成员的预报技巧。一周以后，均