1、集合预报及其应用简介集合预报及其应用简介主要内容主要内容1 1 集合预报的基本概念集合预报的基本概念2 2 扰动产生方法扰动产生方法3 3 集合预报可用性的基础集合预报可用性的基础4 4 集合预报主要产品集合预报主要产品1 集合预报的基本概念集合预报的基本概念5 DAY FORECASTECMWF模式模式：2009年年5月月11日日20点预报点预报5月月16日日20点点500hpa高度场高度场a）5天预报（结束时间天预报（结束时间1995年年11月月15日）；日）；b）3天预报天预报（结束时间（结束时间1995年年10月月21日）。等高线：日）。等高线：5640米。米。相空间中的概率密度函数相
2、空间中的概率密度函数-严格求解不可能，集合预报技严格求解不可能，集合预报技术成为一个变通办法术成为一个变通办法演演变变示示意意图图相相空空间间中中集集合合预预报报各各成成员员集合预报的两个特征量：均值和离差集合预报的两个特征量：均值和离差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。甚至超过确定性的业务预报模式的技巧。离差（集合预报离散度）：离差（集合预报离散度）：集合预报离差是控制预集合预
3、报离差是控制预报或确定性的业务预报可靠程度的度量。报或确定性的业务预报可靠程度的度量。这是集合预报这是集合预报最重要的应用。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集合预报可方便地确定某一天气现象发生的概率。气现象发生的概率。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增加了对极端事件的预报能力。能力。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）、业务模式集合预报平均（绿）、业务模式TL 511（红）、控制预报（红）、控制预报TL 255（蓝）和（蓝）和UK全球模式（黄）。全球模式（黄）。集合数值预报基本
4、概念集合数值预报基本概念何谓集合数值天气预报何谓集合数值天气预报?传统的数值天气预报每个时效只给出一个预报，认为数值传统的数值天气预报每个时效只给出一个预报，认为数值天气预报是天气预报是“确定的确定的”；集合数值预报每个时效给出两个；集合数值预报每个时效给出两个以上的预报，认为数值天气预报是以上的预报，认为数值天气预报是“不确定性的不确定性的”。?为什么存在为什么存在“不确定性不确定性”？原因：气象模式（经简化）、气象资料（观测方法局限性）原因：气象模式（经简化）、气象资料（观测方法局限性）存在误差、大气系统本身（复杂非线性）；这些因素的共存在误差、大气系统本身（复杂非线性）；这些因素的共同影
5、响，就使得数值预报不仅仅存在一种可能（即非确定同影响，就使得数值预报不仅仅存在一种可能（即非确定的），而且存在着多种可能，是依赖于初始误差密度函数的），而且存在着多种可能，是依赖于初始误差密度函数的、依赖于模式不确定性的概率数值预报。的、依赖于模式不确定性的概率数值预报。集合预报定义：集合预报定义：用适当的方法，构造一用适当的方法，构造一“族族”不同初值的、不同模式不同初值的、不同模式的预报样本，在同一时效做出多个预报的预报样本，在同一时效做出多个预报“结果结果”，这一预报，这一预报“集集”就就称为集合数值天气预报，简称称为集合数值天气预报，简称“集合预报集合预报”，Ensemble Pred
6、iction,多中心集合预报多中心集合预报（日本、英国、欧洲中心）逐年预报准确率变化曲线逐年预报准确率变化曲线2天预报天预报4天预报天预报主要内容主要内容1 1 集合预报的基本概念集合预报的基本概念2 2 扰动产生方法扰动产生方法3 3 集合预报可用性的基础集合预报可用性的基础4 4 集合预报主要产品集合预报主要产品2 扰动产生方法扰动产生方法初始扰动产生方法初始扰动产生方法随机方法随机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（NCEP方法）方法）奇异向量方法（奇异向量方法（ECMWF方法）方法）?初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量。初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量
7、。初始场扰动方法的基本原则是初始场扰动方法的基本原则是:(1)扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布较一致较一致,以保证每个初始场都可能代表大气实际以保证每个初始场都可能代表大气实际状态。状态。(2)每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能大地发散大地发散,以保证预报集合最大可能地包含实际以保证预报集合最大可能地包含实际大气可能状况。大气可能状况。(1)随机扰动法随机扰动法(MCF):最简单方法是最简单方法是Monte Carlo 随随机扰动法机扰动法,有不同方式的随机扰动有不同方式的随机扰动,如将随机值加到格如将随机值
8、加到格点场、谱系数或经验正交函数中。缺点是与动力模式点场、谱系数或经验正交函数中。缺点是与动力模式不相协调不相协调,从随机扰动产生的初始场要演变成动力不从随机扰动产生的初始场要演变成动力不稳定结构差异较大的大尺度环流稳定结构差异较大的大尺度环流,需要较长的时间。需要较长的时间。这导致集合成员间的分离度很小这导致集合成员间的分离度很小,目前较少使用该方目前较少使用该方法。法。(2)滞后平均法滞后平均法(LAF):把过去相隔一定时间的一系列模把过去相隔一定时间的一系列模式格点分析场作为集合预报的系列初始场式格点分析场作为集合预报的系列初始场,由此得到集由此得到集合预报。合预报。(3)增长模培育法增
9、长模培育法(BGM):是是Toth 和和Kalnay 提出的一种提出的一种方法。选择模式方法。选择模式6 h 预报场与同一时刻的分析场之偏差预报场与同一时刻的分析场之偏差作为初始扰动。作为初始扰动。(4)奇异向量法奇异向量法(SVs):基本原理是利用非线性动力学理基本原理是利用非线性动力学理论中的有限时间不稳定理论和数值天气预报中同化技术论中的有限时间不稳定理论和数值天气预报中同化技术即切线性和伴随模式即切线性和伴随模式,求取切线性模式的奇异值和奇异求取切线性模式的奇异值和奇异向量向量,最大奇异值对应的奇异向量就是增长得最快的扰最大奇异值对应的奇异向量就是增长得最快的扰动。动。物理过程扰动产生
10、方法物理过程扰动产生方法?在物理过程参数化中加入随机扰动项在物理过程参数化中加入随机扰动项同一物理过程使用不同的参数化方案同一物理过程使用不同的参数化方案集合预报系统结构图主要内容主要内容1 1 集合预报的基本概念集合预报的基本概念2 2 扰动产生方法扰动产生方法3 3 集合预报可用性的基础集合预报可用性的基础4 4 集合预报主要产品集合预报主要产品3 集合预报可用性的基础集合预报可用性的基础?大的集合预报离散度与低的控制预报大的集合预报离散度与低的控制预报技巧相对应；技巧相对应；小的集合预报离散度与高的控制预报小的集合预报离散度与高的控制预报技巧相对应；技巧相对应；主要内容主要内容1 1 集
11、合预报的基本概念集合预报的基本概念2 2 扰动产生方法扰动产生方法3 3 集合预报可用性的基础集合预报可用性的基础4 4 集合预报主要产品集合预报主要产品4 集合预报主要产品集合预报主要产品集合预报集合预报:如何概括和抽取最有效的信息？如何概括和抽取最有效的信息？提取信息，同时意味着我们会失去一些信息提取信息，同时意味着我们会失去一些信息（有可能是很重要的信息）（有可能是很重要的信息）针对不同问题和需求，我们需要设计针对不同问题和需求，我们需要设计不同的集合预报产品。不同的集合预报产品。主要的图形类型主要的图形类型:?空间图形空间图形(固定时间固定时间):邮票图，分类图，概率图，平邮票图，分类
12、图，概率图，平均离散图，面条图等均离散图，面条图等?单点图形单点图形?特征路径特征路径(如：台风如：台风)邮票图邮票图?同时展示针对给定的变量和预报时效的，所同时展示针对给定的变量和预报时效的，所有集合成员的预报结果。有集合成员的预报结果。?优点：所有成员结果都可看到。优点：所有成员结果都可看到。?缺点：太多的信息。缺点：太多的信息。Spatial graphs:Postage stamps分类图分类图?把预报分类。相似预报归为一组。（根据场把预报分类。相似预报归为一组。（根据场的相关或均方根差等）的相关或均方根差等）?用来了解预报的变化情况，不是用来挑选最用来了解预报的变化情况，不是用来挑选
13、最好的方案。好的方案。给出不同预报类型发生的可能性。给出不同预报类型发生的可能性。?500 hPa 高度场高度场轨迹分类图轨迹分类图（5-7天）天）:属于第一属于第一类的成员数为类的成员数为15，第二类为第二类为9，第，第三类为三类为9。超过某个阈值的概率图超过某个阈值的概率图?对极端事件非常有用。对极端事件非常有用。概率计算：超过某个给定阈值的成员数，比上概率计算：超过某个给定阈值的成员数，比上成员总数。成员总数。?n?thresholdprob?NtotalSpatial graphs:Probabilities 优点：优点：?简洁。简洁。关注重要预报变量的重点阈值。关注重要预报变量的重点
14、阈值。?缺点缺点:?只能预报概率分布的一部分。只能预报概率分布的一部分。?可能会掩盖也许会发生的小概率事件。可能会掩盖也许会发生的小概率事件。集合平均和离散图集合平均和离散图?很简洁，但是有可能滤掉了有用的信息。很简洁，但是有可能滤掉了有用的信息。集合平均给出所有预报成员的平均。集合平均给出所有预报成员的平均。(平均平均已经平滑掉了小的不可预报的特征，保留相已经平滑掉了小的不可预报的特征，保留相对可预报的大尺度特征。对可预报的大尺度特征。集合离散集合离散:?对不确定性的估计对不确定性的估计?不同变量，离散度不同。不同变量，离散度不同。?Spatial graphs:Mean and sprea
15、d平均和离散度图：平均和离散度图：下面两张图，等值线代表集合平均，颜色代表离散度。下面两张图，等值线代表集合平均，颜色代表离散度。对槽来说：对槽来说：哪张预示着强度的不确定性，哪张预示着强度的不确定性，哪张预示着位置的不确定性？哪张预示着位置的不确定性？解释：解释：强度!解释：解释：位置!?集合平均给出大气的天气尺度上最有可能集合平均给出大气的天气尺度上最有可能的演变信息。的演变信息。离散度越低，意味着集合平均越可能发生。离散度越低，意味着集合平均越可能发生。因此，高的不确定性预示着低的可预报性。因此，高的不确定性预示着低的可预报性。?集合平均和离散度的局限：集合平均和离散度的局限：?集合平均
16、和标准偏差的计算假设集合平均集合平均和标准偏差的计算假设集合平均发生的可能最大，集合成员是正态分布。发生的可能最大，集合成员是正态分布。但是实际大气情况并不一定。但是实际大气情况并不一定。因此因此:?如果集合成员实际上可分为两类或两类以上，如果集合成员实际上可分为两类或两类以上，那么集合平均和离散会有误导。那么集合平均和离散会有误导。解释集合平均和离散度图时，特别是有多种类解释集合平均和离散度图时，特别是有多种类型预报时，需要知道集合成员的分布信息。型预报时，需要知道集合成员的分布信息。面条图面条图?只画出变量的的某些等值线。只画出变量的的某些等值线。?所有的集合成员都显示在一张图上。所有的集
17、合成员都显示在一张图上。有效地得到预报的不确定性。有效地得到预报的不确定性。?090512 0000-0517 0000 5280 和和 5700等值线等值线优点优点:?简洁简洁所有成员所有成员得到所关心的等值线预报的可能分布信息。得到所关心的等值线预报的可能分布信息。缺点缺点:?不是预报可能分布的完整信息。不是预报可能分布的完整信息。需要更多的信息。需要更多的信息。可能会看上去很乱。可能会看上去很乱。单点图单点图:盒子和胡须盒子和胡须(说明一个或多个天气要素的预报结果的说明一个或多个天气要素的预报结果的?对单点的随时间演变的集合预报对单点的随时间演变的集合预报主要比例主要比例)特征路径图特征
18、路径图?帮助估计最有可能发生的路径。对台风预报帮助估计最有可能发生的路径。对台风预报非常有用。非常有用。台风台风“Neoguri 浣熊浣熊”台风台风”Kalmaegi 海鸥海鸥”台风台风“Fung-wong 凤凰凤凰”台风台风“Hagupit 黑格比黑格比”集合预报是估计天气风险的有效工具集合预报是估计天气风险的有效工具?使用那些产品，依赖于我们对什么问题感兴使用那些产品，依赖于我们对什么问题感兴趣。趣。没有哪种单一产品能提供全部的信息没有哪种单一产品能提供全部的信息。?集合预报系统使用建议集合预报系统使用建议集合预报系统很好的表现了预报变量的不确定性集合预报系统很好的表现了预报变量的不确定性
19、通常而言,集合预报系统对高层大气变量的预报技巧比地表变量好；随着模式分辨率和模式性能的提高，地面要素的预报能力也在不断提高。集合预报系统能力通常和它采用的模式的预报能力相当集合预报系统能力通常和它采用的模式的预报能力相当如果一个模式不能预报某种天气现象，那么相应的集合预报系统也用于 不能预报处理；集合预报系统具有它使用的模式的所有系统误差。集合预报系统使用建议集合预报系统使用建议集合预报系统很好的表现了预报变量的不确定性集合预报系统很好的表现了预报变量的不确定性通常而言,集合预报系统对高层大气变量的预报技巧比地表变量好；随着模式分辨率和模式性能的提高，地面要素的预报能力也在不断提高。集合预报系统能力通常和它采用的模式的预报能力相当集合预报系统能力通常和它采用的模式的预报能力相当如果一个模式不能预报某种天气现象，那么相应的集合预报系统也用于 不能预报处理；集合预报系统具有它使用的模式的所有系统误差。
