集合预报1

集合预报技术及其应用简介俞小鼎中国气象局培训中心2014年6月集合预报技术及其应用简介集合预报的基本概念初始扰动产生的方法集合预报产品集合预报的检验1集合预报的基本概念1.1相空间的概念1.2大气的混沌特性-从概率角度考虑预报1.3相空间中的概率密度函数严格求解不可能集合预报作为一种变通方法1.4两个基本量：均值和方差1.1相空间的概念动力学系统状态的表述系统某一时刻的状态表示为相空间中的一个点系统的演变过程表示为相空间中的一条曲线大气动力系统对应的相空间是高维的（数百万到数千万）1.2大气的混沌特性-从概率角度考虑预报问题TheworkofLorenz(1963,1965,1968)demonstratedthattheatmosphereisachaoticsystem,inwhichsmalldifferencesintheinitialization,wellwithinobservationalerror,canhavelargeimpactsontheforecasts,particularlyforlongerforecasts.Inaseriesofexperimentshefoundthatsmallerrorsininitialconditionscangrowsothatalldeterministicforecastskillislostatabouttwoweeks.AFundamentalIssueButterflyEffectAsmallchangeatoneplaceinacomplexsystemcanhavelargeeffectselsewhere1.3相空间中的概率密度函数-严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法集合预报的意义平均值：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）：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。天气事件发生概率：集合预报可方便地确定某一天气现象发生的概率。对极端事件的预报能力：增加了对极端事件的预报能力。1.4集合预报的均值和方差（离散度）描述概率密度函数特性的两个重要参量是均值和方差。均值：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）：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。天气事件发生概率：集合预报可方便地确定某一天气现象发生的概率。相空间中集合预报各成员演变示意图五天以后，集合预报平均值的技巧超过控制预报和确定性业务预报的技巧全球500hPa距平相关系数：ECMWF集合预报平均（绿）、业务模式TL511（红）、控制预报TL255（蓝）和UK全球模式（黄）。集合预报离散度（方差）是大气可预报程度的度量，从而可以判断确定性预报的可信度（之一）。集合预报离散度（方差）是大气可预报程度的度量，从而可以判断确定性预报的可信度（之二）。集合预报离散度（方差）是大气可预报程度的度量，从而可以判断确定性预报的可信度（之三）。2.初始扰动产生的方法随机方法时间滞后方法增长模培育法（NCEP方法）奇异向量方法（ECMWF方法）主要问题：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性，需要对物理过程加扰动。初始场扰动方法。以前只有红色的部分，现在又添加了兰色的部分。ECMWF初始扰动场左边：初始扰动风场u分量的均方根在500hpa层上的值（a-1992/1993冬天，b-1993年夏天，c-1993年秋天）右边：初始扰动温度场的均方根在700hpa层上的值（d-1992/1993冬天，e-1993年夏天，f-1993年秋天）3.集合预报产品简介3.1“面条”图3.2“邮票”图3.3500hPa高度场轨迹分类图3.4概率分布平面图3.5极端天气分布图3.6单点要素时间序列图Meteogram３.７台风路径和袭击概率3.1“面条”图“面条”图3.15640米1995年11月15日12时“面条”图5640米“面条”图a）5天预报（结束时间1995年11月15日）；b）3天预报（结束时间1995年10月21日）。等高线：5640米。SpaghettiDiagram26‘EnsembleSpreadChartGlobalForecastSystem(GFS)Ensemble“bestguess”=high-resolutioncontrolforecastorensemblemeanensemblespread=standarddeviationofthemembersateachgridpointShowswhere“bestguess”canbetrusted(i.e.,areasofloworhighpredictability)Detailsunpredictableaspectsofwaves:amplitudevs.phase3.2“邮票”图33个成员（客观分型）500hPa高度场（欧洲地区第7天预报）51个成员（表面气压）3.3500hPa高度场轨迹分类图500hPa高度场轨迹分类图（5-7天）。属于第一类的成员数为15，第二类为9，第三类为9。3.4概率分布平面图850hPa温度距平超过+4K（图a）和小于-4K（图b）的概率。等值线：5%，35%，65%和95%。观测的风和42h集合预报导出的发生大于40m/s强风的概率3.5极端天气事件分布图Toeachproportionpoftheclimaterecordsisattachedavalueqc(p)knownasaquantile.HowmuchagivenEPSforecastdeviatesfromtheclimatecouldbemeasuredbyp-Ff(p),whereFf(p)istheproportionofEPSmembersthatliebelowqc(p).ThesedifferencesarethenintegratedinprobabilityspacetoprovideanExtreme-ForecastIndex(EFI)ofordern:dppFpnEFInfn10))(()1(3.６单点预报时间序列图（METEOGRAM）41BoxandWhiskerPlots://宜昌30/09/2009-10/10/2009Nanjing13-22March2009Nanjing13-27March2009Wuhan13-22March2009Wuhan13-27March2009Shanghai10-19October2006Beijing20110530-0613成都20110530-0613Jinan20091015-245305101520253035404550ValidTimeWindSpeed(kt).05101520253035404550ValidTimeWindSpeed(kt).11/1812/0006121813/0006121814/0006ValidTime(UTC)MisawaAB,JapanWindDirectionAFWAForecastMultimeteogramJMECycle:11Nov06,18ZRWY:100/28015kmResolutionWindSpeed(kt)90%CIExtremeMinExtremeMaxMeanGrayshadedareais90%ConfidenceInterval(CI)3.7台风路径0-120小时台风路径预报提前5天的对2000年2月侵袭莫桑比克的热带气旋Eline的路径的集合预报和确定性预报。0-24h（蓝），48-72h（绿）和96-120h（粉）气旋的可能位置。台风“Neoguri浣熊”台风”Kalmaegi海鸥”台风“Fung-wong凤凰”台风“Hagupit黑格比”梅花台风均值分布叠加离散图NCEPSREF：24hCAPEFORECAST2009051103UTCto051203UTC4.集合预报的客观检验4.1集合预报离散度的概念4.2完美集合预报的概念4.3集合预报离散度与预报技巧间的关系4.4事后分析落在集合预报范围外的百分比4.5集合预报平均的技巧4.6概率预报的检验4.7相对经济价值4.1集合预报离散度的概念将加过扰动的集合预报各成员与控制预报间500hPa高度场的均方差的大小自小到大排列，则排到75%的集合预报成员所对应的均方差定义为集合预报的离散度。另外，集合预报的离散度还可以通过500hPa高度场各扰动成员预报与控制预报间距平相关系数间的分离度来表示。4.2完美集合预报完美集合预报定义为与实际集合预报具有同样成员个数和初值扰动方法，假定用完美的大气模式进行时间积分，并进一步假设实际大气的演变情况（即事后的分析场）包含在集合预报所张开的范围内。真正的完美集合预报是难以制作的，我们可以用变通的办法形成完美集合预报。取任何一个集合预报，随机选取其任何一个成员的个别预报作为事后的分析场，我们就得到一个完美集合预报。4.3集合预报离散度与预报技巧间的关系集合预报可用性的基础：大的离散度与低的控制预报（或确定性业务预报）技巧相对应，小的离散度与高的控制预报（或确定性业务预报）技巧相对应。北半球冬天和夏天（93年）第7天预报的控制预报技巧和集合预报离散度间的关系欧洲地区（第7天）集合预报离散度与集合预报各成员预报技巧间的关系欧洲冬季对流层下层温度预报技巧4.4事后分析落在集合预报范围外的百分比对于33个成员的集合预报系统，若事后分析落在各成员间隔内和间隔外的概率相等，则事后分析落在集合预报范围外的概率为1/32的两倍，即6%。因此，若事后分析落在集合预报范围外的百分比大大超过6%，则认为该集合预报系统不够理想。对于51个成员的集合预报系统，该值是4%。Talagrand图，欧洲1995-96年冬天，850hPa温度，第6天预报。4.5集合预报平均的技巧在几天以后，集合预报平均的技巧高于控制预报技巧，甚至超过确定性的业务预报。500hPa高度均方根误差（m）500hPa高度场距平相关系数4.6概率预报的检验由集合预报得到某一天气事件发生的概率是直截了当的，在概率计算中一般假定集合预报各个成员是等权重的。在概率预报的检验中，除了将预报的事件出现概率直接与观测的事件出现的频率比较之外，通常还采用Brier评分（BS）或Brier技巧评分（BSS）来估计概率预报的优劣。下面我们给出Brier评分（BS）和Brier技巧评分（BSS）的定义。假定在n个场合中的任一个场合，一个事件的发生只能属于r个种类中的一种（如有雨和无雨两个种类）。进一步假定在一个场合i,预报事件发生属于每一种类（如下雨还是不下雨）的概率分别是fi1，fi2,…,fir.这r个种类是相互排它的和穷尽的，即满足：rjijnif1,3,2,1,1在有了实际观测数据之后，可定义一个用来验证概率预报的评分，称为Brier评分（BS）：rjniijijEfnBS112)(1如果属于j类的事件确实发生，Eij的值为1，否则为0。最完美的预报是以100%的概率预报了某一事件的发生，而事件确实发生了，预报完全正确，相应的BS值为0；最差的预报是以100%的概率预报了某一事件的发