气象科技管理信息系统

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行业专项成果综述-数值模式预报偏差检验及订正技术的研发和应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/12/7 15:14:40   标签:   浏览次数:4851

项目编号GYHY201306002

研究周期2013年1月-2016年12月

国拨经费280万元(核减至265万)

项目负责人】代刊

项目骨干成员】唐健,符娇兰,曹勇,杨寅,陈莉,杨有林,胡文东,高嵩,董全, 陈博宇,徐,陶亦为,宫宇,刘凑华,周军,王毅,李思佳,王文兰,张博,郭云谦,贺雅楠,胡海川,邵建,纪晓玲,穆建华,杨侃,杨舒楠,廖鸿森,龚超,张冰, 林玉成,郑鹏徽,朱海斌,晁瑗

项目承担单位国家气象中心

项目协作单位】南京大学、宁夏回族自治区气象台、江苏省气象台、清华大学

主要研究成果

2013年以来,项目组围绕“如何在数值模式预报的基础上附加预报员价值”这一主题,针对项目目标开展关键技术研发,取得如下主要成果:

1)在模式分辨率越来越高的情况下,为更精细地分析模式预报系统性偏差,推动在新检验算法在业务中深入应用。引入CRAMODE等面向目标的检验评估方法到业务中,形成业务常规产品。针对西南地区复杂地形,应用CRA首次给出该区域形态、落区和强度误差的占比;并进一步对三种强降水类型开展系统空间检验,获得量级偏差、位置预报的特征。此外,应用MODE技术对南方低涡暴雨过程进行系统检验评估。成果形成论文,产品进入天气学检验评估平台,并在天津等地转化。

2)为提升天气学检验效率,发展重要天气特征信息提取技术以进行定量化对比检验。研究提出了基于等高线曲率、风向涡度场分析的高低压中心、槽线、脊线、切变线、急流轴线等天气系统识别算法,并发展了天气系统自动分析系统,实现了对各种数值天气预报模式的天气系统客观分析,识别率达到95%以上。此外,基于气压场几何结构分析的锋面识别技术,并引入消空系数,实现了针对我国及附近区域的冷锋进行了较为准确的识别。上述工作提供了技术报告,部分识别产品已经实现与MICAPS系统的数据对接,进行业务应用。

3)在没有观测数据参照的条件下,实现对数值模式系统预报误差的提前识别、追踪和物理机制分析,更符合业务实际。项目对20167月的华北极端强降水的中期预报误差来源和演变进行了分析,识别出3个来自初始场及早期预报的显著差异区与敏感系统相伴随,指出直接来自上游温带气旋内暖输送带(WCB)的次天气尺度扰动,通过调节高空扰动与低层偏南暖湿空气的结合程度,对气旋强度和路径产生重要影响。在个例分析基础上,提出集合敏感性和成员分组标准差分析,能够有效支持预报员持续监视上游天气系统的模式分析和预报误差。成果论文发表,发展“区域降水预报集合敏感性分析系统V1.0”,实现实时业务运行。

4)如何认识和理解数值模式的预报稳定性、预报不确定性或可预报性,项目对此做了较深入的探讨。开展确定性数值预报的稳定性评估方法研究, 基于Zsoter稳定度指数,系统性分析了数值模式随预报时效临近对西风槽和西太副高的误差变化特征,成果发表论文。受启发于机器学习领域常用的多数投票方法,创新性地把可视化技术和预报领域知识结合,发展基于海量历史信息挖掘的模式预报可视化不确定性评估方法,成果发表在顶级国际计算科学会议文集上。开展集合预报系统预报技巧评估的理论和实验研究,回答包括集合平均与单个成员的精度比较、集合预报技巧饱和问题、新成员加入能否提高准确率等基本问题,成果论文发表。发展集合预报相对可预报性度量技术及业务产品,为评估高影响天气的可预报性提供有效工具,已经实现算法业务化运行。

5)为实现对海量预报信息的客观、自动订正集成,重点针对降水发展了集合多统计量融合预报方法、台风暴雨集合预报成员优选订正技术;结果表明,相对于原始确定性预报或集合评估能够提升暴雨预报准确率15-30%,台风大暴雨评分提高20-40%,已成为重要的业务参考产品。此外,基于连续变量的滑动训练期和卡尔曼滤波方法,构建了业务实时运行的气温预报产品;开展了针对风速的集合预报EMOS后处理技术。

6)为实现对高空三维环流形势场的高效订正,项目基于“预报员DA”的理念,发展了人工订正模式位涡的技术框架流程和应用程序,实现人工只通过修改某一层次的位涡分布,通过最优线性无偏估计(BLUE)技术拓展到整个三维空间,最后采用分部式位涡反演技术,获得修改后的动力热力平衡的高空高度、温度场和风场。成果为预报员订正模式环流形势场提供完整技术流程,成果论文发表。

7)为实现从“点”到“面”的格点场编辑订正,引入图形学中的相关技术方法,发展了基于移动最小二乘的区域变形方法、基于二元高斯函数的局部区域变形算法、基于散度涡度的矢量场编辑算法等技术,实现了对网格预报场的高效编辑订正,成果形成技术报告,并融入MICAPS-GFE格点编辑平台中。

8)构建国家级格点化定量降水预报系统。基于主观落区和多项客观降水订正产品的降水反演融合技术,并发展降水空间统计降尺度、降水时间拆分等技术,构建了国家级格点化定量降水预报系统,系统已于2 0 1 4 6 月在国家气象中心投人业务使用,实现0 -168h时效, 10km分辨率, 3h的格点化定量降水预报指导产品输出。

9)设计与建立MICAPS3.2平台的格点编辑平台。针对温度、风场等要素场,设计和发展了MICAPS-GFE平台。该平台实现了落区时间拆分、温度极值订正、要素一致性处理方法等多项智能化预报技术,帮助预报员快速实现预报订正思路,在确保执行高效的同时尽可能多的保证结果的准确性。系统已在多个省市实现了大规模的业务试验,为建立上下指导订正反馈的网格预报业务流程提供平台支撑。

10)为支撑预报员在定量降水预报流程中的核心作用,基于MICAPS4设计的QPF格点订正编辑工具--主客观融合QPF平台,从海量预报数据选取、多源预报集成、QPF调整和订正、格点化处理和服务产品制作五个方面帮助预报员控制数字化预报全流程。平台囊括多项关键技术支持平台的智能化,包括多模式QPF数据集构建、集成技术、多源QPF权重智能评估推荐、QPF预报场形变调整和订正技术、格点场后处理技术以及QPF滚动订正、台风暴雨优选预报、冬季相态预报技术等。此外,基于MICAP4平台,采用分层体系结构和组件式的设计模式,实现模块界面表现层和业务逻辑层的热插拔,建立了可靠性、可扩展性和稳定性好的主客观融合定量降水订正平台QPF Master Blender V1.0。成果形成论文发表,系统已经成为QPF业务的基础支撑平台。

11)设计和构建了数值模式天气学检验评估平台,完成模式强降水、环流形势及物理量预报稳定性、一致性评估功能开发,实现模式评估功能,对于地面要素、环流形势场、动力条件、水汽条件、热力条件、对流条件都开发了模式稳定性评估和模式一致性评估功能,并以邮票图形式对比展示,方便预报员快速了解不同模式差别和同一模式不同预报时效的变化,加强对于不同模式和不同起报时效的分析和评估,提升对于模式预报结果的订正能力。该系统产品已通过测试,实时业务运行。

 

成果应用情况

本项目大部分研发成果已在国家级及省级等业务单位进行应用或转化,为在数值模式预报的基础上实现预报员的附加值,构建现代定量降水预报业务流程,提供有效的技术支撑和系统工具,在提升预报产品的精细化水平方面发挥了明显作用。

1)研发的“主客观融合定量降水预报平台”,有力推动QPF业务流程现代化发展,让预报员有时间在更高层次分析重要天气,开展精细化的检验评估,从而提升预报准确率和服务水平。

“主客观融合定量降水预报平台”于201751日正式投入业务使用,已成为中央气象台QPF业务产品制作的主要支撑平台,并作为国家气象中心智能预报系统的典型范例进行推广。通过“主客观融合定量降水预报平台”,预报员实现快速制作和发布未来7天,时间分辨率为逐24h6h1h,空间分辨率为5km的高分辨率格点化产品。这使得国家气象中心对下指导能力进一步加强,也提升了自身精细化预报服务水平。

评估业务运行期间(201751日至831日)主客观融合QPF平台输出的高分辨率格点产品的质量,并与ECMWFT639业务数值模式进行对比。结果表明:主客观融合QPF产品的1d时效暴雨预报TS评分为0.204,较ECMWF模式的0.167T6390.154分别提高了22%32%,提高增量为近三年同期最高。在实际灾害性天气预报服务中,如2017624日至25日江南北部出现的强降水过程。预报员通过QPF融合平台,评估多模式数据降水预报结果、给定权重、概率匹配量级订正、值域调整等一系列操作完成降水强度和落区订正,TS评分较欧洲中心原始模式的0.12提高到0.43,对长江中下游地区的降水预报位置强度均较好。除定量降水预报之外,该系统平台在气象保障中也得到了广泛应用,成为业务基础支撑工具,提升了预报服务能力。

2)设计和建立“天气学检验评估系统”,对天气预报检验评估业务进行了系统性的支持,为充分发挥预报员的主观订正作用提供支撑,提升其在重大预报服务和重大气象服务保障中的预报服务能力。

建设模式天气学检验系统是现代化定量降水预报(QPF)业务五层框架的重要组成部分。利用定量评分、天气学以及空间检验相结合的技术开发相关检验评估产品及显示调阅平台,帮助预报员在预报业务中更好的分析和订正模式,实现预报员的附加值,从而可以进一步提高各类天气的预报准确率,对于我国的防灾减灾起到重要作用。“天气学检验系统”于2017年开始业务试用,已经成为中央气象台模式检验的主要支撑平台,并作为国家气象中心智能预报系统中的重要一环向天津市气象台、吉林省气象台等进行推广和介绍。通过对该系统开发的各类检验技术和成果的推广,进一步提高了中央气象台预报能力和对下指导能力。

天气学检验系统为预报员提供了包括全球模式、中尺度模式、客观预报产品等17类预报产品的中短期时效的实时检验评估产品。产品类型包括实时的定量评分检验、基于雨带目标的属性偏差检验、天气学检验产品以及模式系统性误差和历史误差信息。自业务应用以来,为预报员检验评估模式性能、检验公报撰写以及会商分析等提供了有利的技术支撑,在重大预报服务和重大气象服务保障中得到了广泛应用,大大提升了预报服务能力。

3)设计和建立国家级格点化定量降水预报系统,实现定量降水预报业务从落区预报向格点预报进行转化,过程完全由计算机自动化实现,极大提高了QPF产品制作效率,获得精细化的定量降水网格预报产品,为高影响天气、重大气象活动保障等提供精细化的服务。

建立国家级格点化定量降水预报系统,将定量降水格点化的过程融入现行的预报业务流程,即在预报员制作完成主观降水等级落区预报产品后,通过后期技术的处理,生成高时空分辨率的格点化降水预报产品,该产品既能体现预报员对于模式降水预报的订正,完全遵从预报员的主观预报订正意图,又可以提高预报产品的精细化程度。这个过程完全由计算机自动化实现,无需预报员的干预。提供的预报产品指标如下,时间分辨率最短达到逐3小时、空间分辨率达5公里,预报时效为0-168小时,每日随日常业务实现4次滚动更新。

定量降水预报格点化技术体系于20146月在国家气象中心正式投入业务应用。通过该技术的应用,国家气象中心发布的产品由等级落区指导产品转变为高时空精度的格点化产品,可为省市级气象部门制作本地的精细化预报提供较好的指导产品,此外也为国家气象中心自身的精细化预报服务提供了有力的支撑,如2015年“9.3阅兵”预报保障服务,台风精细化降水预报服务等等都以该技术和产品为基础进行制作。利用国家信息中心的定量降水估测产品,对20154-9月的格点化定量降水预报产品进行均方根误差检验,发现相比预报员的等级落区预报,格点化定量降水预报能较好的提高降水预报的精确性,均方根误差由38mm下降至24mm,下降36%左右。

4)设计和研发了MICAPS-GFE格点编辑平台,集成多项智能化预报技术,帮助预报员快速实现预报订正思路,在确保执行高效的同时尽可能多的保证结果的准确性,为实现国省两级网格预报产品业务提供基础支撑,格点产品为国家级和省级预报服务提供精细化的决策服务信息。已联合多省份进行了大规模的业务试验,并开展了相关的业务培训,在全国建立了以NWFD/LWFD为核心的格点化降水预报业务流程,建立了较为完整的格点化预报支持系统,为各省市区及气象部门的智能网格预报业务提供强有力的支持。同时,MICAPS-GFE为省级基于精细化格点预报技术开展大城市预报、乡镇预报等精细化预报,从事交通运输、旅游等专业气象服务提供强大的技术支撑,增强了社会安全气象保障和防灾减灾能力,显著提高了气象现代化建设效益。

    (5)设计和研发了多种数值模式客观订正技术方法,对数值模式误差进行有效偏差订正和集成集合预报优势信息,实现预报准确率的明显提高,为暴雨灾害等预警提供有力支撑。项目发展集合多统计量融合产品,实时计算过去6年同期的不同降水等级、不同集合百分位的统计评分,以此为基础选取多统计量融合值进行集成,输出实时业务客观预报指导产品。经检验评估,该产品较ECMWF确定性模式QPF的暴雨准确率提升18%左右。项目同时结合台风路径预报实时订正技术和集合统计量降水产品的最新改进方法,发展一种针对台风降水预报的实时订正方法,并构建业务运行系统,提供台风暴雨客观指导产品。检验结果表明,台风暴雨集合成员优选产品的大暴雨评分相对于集合平均提升20-40%左右。上述产品为QPF业务提供了有力的支撑,在多种客观方法中体现出较高的评分,产品在G20峰会重大活动保障中得到应用。成为国家气象中心对下指导的主要技术,在内蒙古、江苏、四川、山东、杭州等地得到转化或应用。

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