TIGGE多模式降水预报产品检验与集成研究

数值预报产品的检验与集成是使用和发展数值预报的重要环节。以TIGGE数据中心的NCEP、ECMWF、JMA和KMA等4种模式控制预报产品为基础资料,选取福建池潭水库流域为研究对象,从降水分级预报、降水量级和过程预报等方面对数值预报产品进行了综合评估,同时采用回归集成、TS集成和Nash系数集成等3种方法对多模式产品开展了降水集成预报,在此基础上,探讨了不同集成方法对最终降水预报效果的影响。结果表明,4种产品对无雨和小雨的预报效果均较好,在不同量级降水预报中,JMA模式更适合于25 mm以下量级的降水预报,而ECMWF对25 mm以上量级的降水预报效果较好。对于日降水量预报,NCEP模式的预报效果较差,而ECMWF模式的预报相对更准确。对于降水过程预报,KMA的预测性能则明显差于其他3个模型。集成预报对降低预报误差并提高降水过程预报有较好的效果,其中针对不同量级分类加权的TS集成方法预报效果最优,且提升了高量级降水预测效果。     

赤山湖流域TIGGE降水预报精度评价研究

为了提高赤山湖流域洪水预测预报的能力,对赤山湖流域TIGGE降水预报精度进行了评价研究。将TIGGE的ECMWF、KMA、JMA、UKMO、CMA等5个模式应用于赤山湖流域,基于2015—2019年汛期降雨预报数据和流域实测降雨资料,采用均方误根差指标RMSE和降雨预报三率综合评价指标对这5个模式的预报精度进行了评价。结果表明:在赤山湖流域TIGGE的5个模式中,JMA模式的降水预报精度最高,其次是ECMWF。     

汉江流域多模式面雨量预报效果评估及集成应用

为探明不同数值模式预报产品对汉江流域降水的预报效果，利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、德国气象局(GERMAN)、美国国家环境预报中心(NCEP)、日本气象厅(JMA)与中国国家气象局的GRAPES数值模式，分析了汉江流域面雨量的分布特征，并利用TS评分检验了多种数值模式对汉江流域不同分区、季节、量级的面雨量预报效果，提出了多模式降水预报集成应用方案。结果表明：汉江流域各分区中，皇庄以下区间出现大雨及以上量级强降水次数最多且强度最大，白河-丹江口区间的次数最少且强度最弱。各模式中，GERMAN模式对汉江流域面雨量的预报效果整体最好，其次为ECMWF模式，再次为NCEP模式，而JMA和GRAPES模式相对较差。不同季节中，模式预报在主汛期的降水预报效果整体最好，其次为秋汛期，枯季相对较差；其中，秋汛期的空报率和漏报率相对较低，主汛期的漏报率相对较高。采用动态加权的方法对多模式预报产品进行集成，发现集成预报可以综合各模式预报信息，其预报效果在各模式中位于前列。     

基于TIGGE多模式的6 h降雨预报精度对比分析

降雨数值预报是预防极端天气导致灾害事件的重要手段,其预报精度是预报产品是否被采用的依据。以跋山水库流域为研究对象,选取了TIGGE系统中的ECMWF、NCEP、CMA、JMA、UKMO共5个预报模式的控制预报与集合预报,分别从降雨分级预报检验和降雨量预报检验两个角度,利用Brier评分和Talagrand分布图,分析了2007—2019年5—9月控制预报和集合预报降雨数据的精度。结果表明:(1)就降雨分级预报而言,对于无雨、小雨和中雨量级,5个预报模式控制预报和集合平均预报效果相差不大;对于大雨量级,JMA和NCEP的控制预报效果最佳,JMA和UKMO的集合平均预报效果最佳;对于暴雨及以上量级,NCEP的控制预报和集合平均预报均效果最佳;(2)针对降雨量预报,UKMO控制预报和集合平均预报效果最佳;(3)无雨等级的Brier评分最高,且Brier评分随着降雨等级的提升而降低,表明大量级降雨时Brier评分较好;CMA的评分在无雨、小雨、中雨、大雨4个等级表现最好;(4)5个模式Talagrand分布形态均呈粗略的“U”字型,表明5个预报模式集合成员的分散不够。综合来看,UKMO和NCEP的预报效果最佳。据此研究可选出高精度的降雨预报产品。     

基于集合预报的淮河流域洪水预报研究

建立基于集合预报的淮河具有行蓄洪区流域洪水预报及早期预警模型。在洪水预报中引入数值天气预报以延长洪水预报的预见期。集合预报采用多模式和多分析集合预报技术,考虑初始场的不确定性和模式的不确定性,避免“单一”确定性数值天气预报结果易存在的预报误区。THORPEX 项目支撑的THORPEXInteractiveGrand GlobalEnsemble（TIGGE ）集合预报目的是建立全球交互式预报系统。本文以淮河流域为试验流域,以TIGGE 集合预报（加拿大气象中心（简称CMC,集合成员数为15个）、 欧洲中期天气预报中心（简称ECMWF,集合成员数为51个）、 英国气象局（简称UKMO ,集合成员数为24个）、 美国国家环境预测中心（简称NCEP,集合成员数为15个））驱动构建的水文与水力学相结合的具有行蓄洪区流域洪水预报模型以达延长洪水预报的预见期,新安江模型用于降雨径流计算、一维水动力学模型用于河道洪水演算,实现洪水预报及早期预警。为了进行比较,同时采用地面雨量计观测降水驱动构建的洪水预报模型,对2007和2008年淮河汛期洪水进行检验。结果表明,基于TIGGE 集合预报驱动的洪水预报预见期延长了72~120h ,证明了TIGGE 集合预报可以应用于洪水预报及早期预警。     

ECMWF集合降水预报在长江流域应用性能评估

欧洲中期天气预报中心(ECMWF)集合预报系统被广泛应用于降水预报中,但由于长江流域地形、气候条件复杂,该系统在长江流域的应用性能有待进一步评估。利用2015年4月至2018年6月汛期(4～10月)ECMWF集合预报系统(EPS)输出的降水预报结果和全国2 000多个站日降雨观测资料,基于Brier评分、Talagrand分布、ROC分析等方法,研究了ECMWF集合预报在长江流域降水的预报性能。结果表明:①Talagrand分布表明,模式对小量级的降水预报概率偏高,而对大量级的降水预报概率偏低;ECMWF集合预报系统存在短期预报发散度不够的情况。②Brier评分表明,在同量级降水预报中,预报时效越长,准确性越低;ECMWF集合系统在近4年的降水预报有相对稳定的Brier评分。③ROC分析表明,各个时效,同量级降水预报的准确性差异不大。总体来说,不论离散度还是准确性,ECMWF集合预报系统还存在一定的系统性偏差,需要进行统计后处理订正来消除此类偏差。     

4种数值降水预报产品在海河流域的应用检验

模式定量降水预报作为一种客观化预报方式已成为天气预报业务工作中的主要参考依据,为了解日本、德国、T639及天津(TJ-WRF)4种模式降水预报产品在海河流域的预报性能,从TS评分、漏报率、空报率、预报偏差等方面对4种模式进行了检验和评估。结果表明,4种模式各有优劣,对于小雨的预报,WRF和T639表现好于其它模式;对于中雨的预报,日本模式和T639的可信度较高;对于大雨的预报,T639的表现略好于其它模式;对于暴雨以上的预报,各模式的表现均很差。就预报偏差而言,各模式的预报偏差都基本偏小,且量级越大预报偏差误差越大,其中天津WRF和T639的偏小幅度小于其它2个模式。     

基于ECMWF和WRF的嘉陵江流域面雨量预报精度评估

将降雨数值预报产品运用到水文预报中已经逐渐成为提高洪水作业预报的预见期的重要手段。为充分了解ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts)和WRF(Weather Research and Forecasting model)2种数值天气预报产品对嘉陵江研究区面雨量预报的预报精度和误差分布,且为增强洪水预报精度的稳健性提供科学支持,采用TS评分、空报率、漏报率、正确率等指标,对嘉陵江地区7个气象分区内的2016年汛期面雨量预报结果进行了检验,分析了不同分区内各检验指标与预报时效的关系。结果表明:ECMWF数值预报产品和WRF数值预报产品均可用于该地区晴雨预报,且2种产品的预报精度随降水等级的增大呈增大趋势,随预报时效的增加呈减小趋势。综合而言,ECMWF数值预报产品对嘉陵江研究区的预报效果更好。     

淮河流域面雨量多模式预报效果比较及典型过程检验分析

面雨量预报是洪水预报非常重要的参数,也是各级政府组织防汛抗洪以及水库调度等决策的重要依据。在面向江河流域的水文气象服务中,利用数值预报模式降水输出客观化的面雨量产品,并在检验评估的基础上进行集成应用,是提高流域面雨量预报水平的重要手段。本文基于ECMWF全球模式、JMA全球模式、     

基于数值天气预报模式的流域中期径流预报

研究耦合天气预报模式的径流预报对提高预报预见期及流域防洪减灾具有重要意义。以金溪池潭水库流域为例,通过尺度转换和气象要素联结实现GEM和GFS两种数值天气模式与新安江模型的单向耦合,进行流域水文模拟以及中期径流预报。日径流过程和次洪过程模拟结果发现耦合数值天气预报模式的流域中期径流预报能够较好地预估一段时间内的径流总量,而对洪峰以及洪水过程预报能力稍有不足。预报误差来源有水文模型误差和降水预报误差两种,且降水预报的误差在水文模型中会有放大的效应,这增加了中期径流预报的不确定性。     

集合降雨预报在柬埔寨区域的应用研究

为了在分析研究区域内降雨变化趋势的基础上,探讨不同预见期的集合降雨预报数据在柬埔寨地区的可利用性及降雨集合预报数据的准确性,以柬埔寨境内3S河流域和湄公河流域上段为研究区域,分别采用滑动平均和数理统计法(M-K检验、Kendall检验、Spearman检验和LRT检验)分析研究区域内降水量的变化趋势。结果表明该区域内降雨呈缓慢增长趋势。采用ECMWF提供的降雨集合预报信息对比分析了1,3,5,7 d集合降雨预报对实测降雨的覆盖程度,并采用3个指标评价了集合降雨预报控制值的精度。结果表明随着预见期的延长,1~7 d集合降雨预报精度逐渐降低,但中短期集合降雨预报整体精度较高,推荐在研究区域采用1~5 d预报数据。     

降水预报产品在不同水文气象分区中小流域的 适应性评估

以位于不同水文气象分区的屯溪流域和绥德流域为研究对象,选取 TIGGE(THORPEX?Interactive?Garnd Global?Ensemble) 数 据 集 中 NCEP（ National?Centers?for?Environmental?Prediction） 、 ECMWF（ European?Centre?for Medium-range?Weather?Forecasts）、CMA（China?Meteorological?Administration）3 种预报产品的 2010—2015 年控制 预 报 数 据 , 基 于 分 位 数 映 射 法 中的 QUANT（ non-parametric ?quantile ?mapping ?using ?empirical ?quantiles） 法 和 RQUANT（non-parametric?quantile?mapping?using?robust?empirical?quantiles）法进行预报降雨修正,并采用多分类预报 检验、连续型预报检验和概率型预报检验等方法,对不同水文气象分区、不同预报产品和不同修正方法进行比较 与适用性分析;同时,以屯溪流域实测降雨为例,通过增加噪声项对降雨重采样,基于新安江模型分析降雨不确定 性对水文模拟结果的影响。结果表明：在研究流域,所选的预报产品对无雨和小雨期的预报精度都较高,但随着 降雨量的增加,各产品的预报能力均出现较为明显的下降。多分类和连续型检验表明绥德流域的降雨预报效果 更佳,NCEP 和 ECMWF 在研究流域的整体预报精度较高,CMA 的整体预报精度在研究流域略低于其他产品。各 产品在修正后大部分检验指标预报精度提高,其中：ECMWF 在绥德流域修正后预报精度最高,对两种修正方法都 有很好的适用性;在屯溪流域,NCEP 和 ECMWF 在不同修正方法后各指标预报精度各有高低,CMA 在修正后仅 在大雨量级的 TS 评分预报精度高于其他产品。降雨的不确定性会对水文模拟产生消极影响,并导致参数的不确 定性和水文模拟精度的下降。     

模式水平分辨率对梅雨锋降水定量预报的影响

利用三维非静力平衡中尺度／云模式对1999年6月23日08时～24日08时江淮地区一次梅雨锋系统降水过程进行了五种不同水平分辨率的数值模拟试验。模拟结果表明，提高模式水平分辨率，明显提高了大到暴雨的定量预报(大于25mm和大于50mm)的精度；但研究发现，这种精度的改进随着水平分辨率的进一步提高存在明显的阈界，即在水平分辨率提高到18公里以后，再提高水平分辨率，对暴雨预报成功率的改进幅度不大，因此，对于梅雨锋雨带中尺度强降水的业务预报，将模式水平分辨率提高到18公里比较适宜。     

MM5在黄河流域降水和气温预报中的应用

基于NCEP再分析资料,利用中尺度数值预报模式MM5开展了黄河流域降水和气温预报工作,对其在2011年渭河流域典型降水过程及2011年宁蒙河段和黄河下游的气温预报效果进行分析检验。结果表明:MM5对渭河流域雨区分布、强度及强降水中心位置和量级的预报与实况比较吻合,模式能够正确反映渭河流域汛期降水的空间分布特征;对于气温预报,随着预报时效的延长,误差增大,但平均误差范围均在允许的误差范围内,尤其是对内蒙古河段凌情预报的关键站点-包头站,预报效果最佳。     

鄱阳湖区分级雨日及雨量变化特征分析

为了分析鄱阳湖区降雨量的变化特征,按照相关标准对年降雨日数和降雨量进行分级,深入研究各级雨日(量)的年际变化特征和年内分配规律。利用鄱阳湖区都昌站1953—2012年逐日降雨资料,采用趋势突变检验、Hurst指数、集中度和集中期等方法对鄱阳湖区年和季节分级雨日(量)的变化特征进行分析。研究结果表明:①鄱阳湖区年平均降雨日数为134 d,其中,小雨日数、中雨日数、大雨日数和暴雨日数所占雨日的比例分别为70.9%,18.66%,8.2%,2.98%;过去几十年,年总雨日数、小雨日数和暴雨日数均呈现显著减少的趋势并可能持续减少,年总雨日数在1978年发生突变,突变后雨日数减少了14 d;季节性降雨中,春、夏2季以大雨暴雨为主,秋、冬2季以小雨、中雨为主。②鄱阳湖区年平均降雨量为1 335.66 mm,小雨、中雨、大雨和暴雨占年降雨的比例分别为20.74%,29.50%,27.35%,22.41%;过去几十年,年降雨量呈显著减少趋势并可能继续减少,并在1976年发生突变,突变后年平均降雨量减少了301.26 mm。③鄱阳湖区降雨集中度平均为0.4,但受降雨年内分配的影响,降雨集中度年际差异较大;降雨集中期主要集中在3月中旬—6月中旬,其中,4月中旬—5月中旬占了71.43%。鄱阳湖区降雨日数的减少主要是由小雨日数减少引起的,降雨量的减少是各级雨量共同减少造成的;降雨集中度的大小与大雨和暴雨量所占年降雨量的比例密切相关,且与降雨不均匀系数显著正相关。研究结果可为进一步认识鄱阳湖湿地水文情势变化特征提供依据。