气象科技管理信息系统

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行业专项成果综述-季节内低频变化与我国10-30天强降水/降温过程预测方法研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2018/2/7 16:17:54   标签:   浏览次数:3903

项目编号GYHY201406022

研究周期20141— 201612

国拨经费425万元

项目负责人】任宏利

项目骨干成员】任宏利、吴捷、张文君、赵崇博、左金清、房佳蓓、杜良敏、魏凤英、章大全、刘颖、周放、聂羽等

项目承担单位】国家气候中心

项目协作单位】南京信息工程大学、南京大学、武汉区域气候中心、中国气象科学研究院

 

主要研究成果

(1)研发并建成了ISV/MJO监测预测业务系统(IMPRESS)。针对季节内尺度具有较高可预报性和较强影响力的气候现象,如MJO、BSISO和EAWNP-ISO等,基于数值模式和物理规律发展一系列动力-统计相结合的预测方法,研发相关实时监测预测和诊断分析业务产品,搭建ISV/MJO监测预测业务系统(IMPRESS),形成了对上述季节内气候现象进行实时自主监测、预测和分析业务能力,填补我国在ISV/MJO业务预报方面的空白,为延伸期预报提供了有力的客观依据。

(2)研发出适用于BCC二代耦合模式MJO预报的初始化新方案。通过数值试验定量确定了不同初始资料对模式MJO预报性能的影响,使用非滤波方法增大初始化资料中的季节内变率信号从而提升模式对MJO的预报技巧;进一步依据MJO的三维结构特征,结合MJO最新“水汽模”理论的发展,利用隐式Nudging方案将比湿场(q)引入到BCC二代耦合的初始化方案。该方案有效改进了初始时刻模式的水汽结构和降水分布,从而提高了模式对MJO的预报性能。

(3)研发出适用于耦合模式MJO预报的初值集合扰动新方法。针对BCC二代模式现有集合扰动生成方案滞后平均法(LAF)生成的扰动数量少(4个)、离散度小和预报技巧提升有限的不足,研发多种适用于MJO预报的集合扰动新方法,包括多种初始化方案的集合预报;包含BCC大气模式和耦合模式滞后预报的超级集合预报;利用经验奇异向量法(ESV)构建最优扰动等集合方法。数值试验表明,相较于原始LAF方案,这三种方法均能在不增加大量计算量的基础上增加预报成员的离散度,减小均方根误差,从而提升模式对MJO的预报技巧,可将MJO的预报技巧提升至至20天左右。

(4)研发出减小模式不确定性和概率预报偏差的动力相似集合预报新方法。针对基于大气环流模式的月预报问题,提出了一种能有效减小预报误差并提高预报技巧的动力相似集合预报新方法。该方法着眼于动力模式与统计经验的内在结合,在模式积分过程中通过提取大气环流历史相似性信息,对模式误差进行参数化处理,形成多个时变的相似强迫量来扰动生成预报的集合成员。在此集合预报新方法基础上,开发了这一集合预报方法在动力延伸期业务预报中的应用技术,发展了一个相似-动力延伸期集合预报试验性系统。这样一种针对模式积分进行扰动的集合新方法,既能减小模式不确定性以改进延伸期确定性预报、又能改善概率预报。

(5)发展出延伸期AO/NAO逐日预测和检验评估技术。构建了逐日AO/NAO指数,并基于国家气候中心业务动力模式输出结果,建立了AO/NAO逐日预测产品,评估了模式对AO/NAO次季节变率的模拟和预报性能。其中,大气环流模式对逐日AO/NAO指数的预报技巧约为9-10天,海气耦合模式的预测技巧为13天,高于观测的持续性预报(4-5天)。相对于观测而言,国家气候中心大气环流模式明显低估了北半球风暴轴活动的强度,这可能是导致该模式中AO/NAO指数衰减偏快的主要原因之一。

(6)研发出STPM方法在BCC降水延伸期预报中的业务应用和实时检验技术。该模型采用NCEP1再分析数据以及NOAA卫星资料等作为预报因子,通过非传统滤波方法提取大气季节内振荡信号,基于扩展的EOF方法进行建模和预报对象重建。该延伸期降水预报产品可逐日实时提供未来30天我国台站降水预报。针对该延伸期降水实时预报产品研发了实时检验技术,结果显示预测效果良好。

(7)研发出面向延伸期预报的强降水/强降温过程简易识别技术。考虑强降水/强降温过程需要满足的阈值和持续性特征,研发了面向延伸期预报的强降水/强降温过程简易识别技术,分别用于我国台站降水和温度的强过程判定。通过对台站数据的分析表明,该识别方法能够有效判定强降水/强降温过程。

(8)发展出适用于动力延伸期预报的月平均温度概率订正技术。利用非参数百分位映射法对模式月平均温度预报进行概率订正,该方法基于模式集合平均给出的确定性预报,结合模式回算资料各集合成员计算得到的模式概率密度分布,给出确定性预报在模式概率密度分布中的百分位值,并将百分位值投影到观测资料的概率密度分布中,得到模式预报的概率订正值。对订正前后模式预报的检验评估显示,该订正方案对模式月平均温度预报技巧有一定程度的提升。

(9)发展出气候模式中大气低频流与天气涡旋反馈的模拟检验评估技术。构建了定量化的涡旋反馈评估指标集,发展了大气低频流与天气尺度涡旋反馈的模式模拟检验评估技术,评估了BCC二代模式中涡旋反馈的模拟性能。该检验评估技术可应用于发现模式中涡旋反馈的模拟偏差并探寻其成因,为模式的发展及应用提供参考。

(10)发展出基于时空投影的我国台站气温延伸期预报新方法。通过将近期观测与模式预报信息相结合,发展了一种组合时空投影的温度延伸期预报新方法。基于该方法所建立的模型,能够将初始日之前连续4个候平均的再分析资料和初始日之后第1~2个候平均的模式预报数据作为预报因子,与初始日之后6候我国台站气温场进行建模,进而实现对我国候平均台站气温进行预报。将这一新方法应用到BCC_CSM1.2,与NCEP2再分析资料实现组合时空投影建模后,对我国气温的预报技巧相对于纯粹观测的时空投影预报模型和单纯的模式直接预报有了显著提高。

(11)研发出低频强降水/强降温过程的影响因素和物理统计预报方法。基于EOF分析、SVD、非滤波、时空投影等统计方法,分析了我国低频强降水/强降温过程的时空特征,考察了平流层的低频信号、MJO等大尺度环流和中高纬低频动力过程在季节内尺度上对于我国低频强降水/强降温过程的影响机理,提出了适用于我国季节内低频强降水/降温过程的基于季节内大气环流因子的物理统计预测方法;建立适用于业务平台的统计预报模型并开展预报试验检验。

(12)开发出基于业务模式输出的副热带高压指数延伸期预报技术。利用国家气候中心DERF2.0模式和美国CFSv2模式的高度场及风场资料,结合模式多年均值进行了校准。利用校准后的模式数据,根据国家气候中心描述副热带高压特征的4个指数(强度、面积、脊线、西伸脊点)定义,计算得到副高指数延伸期(未来10-30天)预报序列,绘制成副热带高压指数延伸期预报图形产品。

成果应用情况

(1)ISV/MJO监测预测业务系统(IMPRESS)已完成业务化

该系统的MJO模块已于2014年12月通过国家气候中心业务科技处组织的专家评审,从2015年1月起开始业务试运行,在CMDP网站 (http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_mjo_impress.php)和国家气象业务内网(http://10.1.64.154/)实时发布逐日业务产品,并得到预报与网络司的发文确认(气预函[2015]36号)。为进一步丰富大气季节内变率(ISV)监测预测业务产品,满足次季节-季节预报业务需求,国家气候中心对IMPRESS系统进行了改进升级,提升大气季节内振荡(MJO)预报水平,增加了BSISO和EA-WNPISO模块,丰富了业务产品,研发完成系统2.0版本(IMPRESS2.0)。2017年6月,IMPRESS2.0通过了业务化运行评审,于2017年7月15日起正式投入业务化运行(气预函[2017]34号)。该系统能够提供准确实时的重要季节内气候现象的监测信息和未来演变趋势,从2015年春季开始陆续在国家气候中心月度会商和汛期、年度预测业务会商上得到运用,为延伸期预报提供有力的参考依据,两年多来的应用效果良好,预报准确率较高,在国家级和省级业务部门得到广泛应用,受到预报员的普遍认可。

(2)MJO预报的初值集合扰动新方法已投入业务运行,初始化方案进入业务试验阶段

通过对历史回报结果进行检验,构造的考虑BCC二代大气(BCC_AGCM2.2)和耦合模式(BCC_CSM1.2)滞后2天预报的共24个成员的多初值集合方案对MJO的预报技巧可达到20天,目前已将该方案应用到ISV/MJO监测预测业务系统(IMPRESS)中,在业务网站上实时提供相应的预报产品据;设计了包含不同Nudging参数的多个初始化方案版本,经过在中国气象局高性能计算机的准业务环境中的多组数值试验,已经基本确定了稳定可信的最优方案,并完成相应的实时资料预处理程序。拟进一步通过大样本准业务环境试验,对初始化方案的效果进行确认,进而纳入的BCC模式的下一个版本中,在S2S业务预报中得到应用。

(3)基于动力模式的副热带高压指数和AO/NAO的逐日预测已投入业务试运行

基于国家气候中心DERF2.0模式和美国CFSv2模式的逐日副高指数预测,持续在业务会商中提供了副热带高压指数的延伸期预报结论,为预报预测业务提供了新的参考依据。例如,在2016年6月数次梅雨会商及延伸期预测会商中,副热带高压脊线位置的预报与实况极为一致,为入梅时间判定、延伸期降水过程的判断等提供了重要参考依据。逐日的AO/NAO动力预测产品已在中试平台和CMDP网站上提供实时产品,应用到国家气候中心预测业务中。

(4)基于STPM方法的延伸期降水预测投入业务试运行

基于时空投影模型(STPM)方法研发的延伸期降水预测产品可实时提供未来30天我国台站降水预报,预报产品在CMDP网站上(http://cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_s2s.php)和气候预测科研成果业务转化中试平台网站(http://10.28.107.40:8008/#/appMain)实时展示;该延伸期降水实时产品的实时检验结果显示,该产品预测效果良好,被国家气候中心业务汛期主班预报员采用,为业务部门应用提供了重要的参考依据。进一步研发的基于组合时空投影的我国台站气温延伸期预报新方法,检验结果显示预报技巧相对于纯观测时空投影预报方法和模式直接输出结果可得到显著提高。该方法在进一步完善后可投入业务试验和应用,提供实时预报及检验产品。

(5)研发的面向延伸期预报的强降水/强降温过程简易识别技术进入业务试验阶段

    该项成果着眼于对强过程的监测预测一体化业务技术开发,形成了面向延伸期预报的强降水/强降温过程简易识别技术,已分别用于我国台站降水和温度的强过程判定,在气候预测中试平台进行测试和检验(http://cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_s2s_process.php)。结果显示,该识别方法能够有效判定强降水/强降温过程,中试网站提供的强过程监测预测产品,可为开展强降水/强降温过程的延伸期预报提供必备的技术基础。

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