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集合预报方法研究进展
金荣花 李维京
(国家气象中心,北京100081)(国家气候中心,北京100081)
提要
本文慨述了集合预报概念和发展历程,井对有关集合预报的初值扰动、动力延伸预报模式、集
合最佳样本数、集合预报产品等相关问题的研究成果分别作简单介绍。最后评述我国集合预报的
业务使用现状及未来发展趋势。
关键词:集合预报莲至亘哩[蔓鄱垂亘受—j之/7
1 引 言
集台预报是近几年数值预报业务的一个重大发展.在世界许多国家的气象部门或研究机
构相继投入业务使用,使中期(3~10天)和延伸时期(10~30天)天气预报技巧得到令人瞩目
的改善。本文简要介绍有关集合预报问题的研究成果及其发展趋势,将有助于集合预报业务的
广泛开展和使用。
2 集合预报概念与发展历程
2.1概念
大气是一个非线性动力系统,即使采用完全大气模式,初始场很小的误差也会通过大气的
非线性相互作用迅速增长,在有限的时间内发展到超过大气系统的确定性变化,使得整个运动
变得不确定,这就是大气的可预报性问题。为此,采用多个具有一定差异的初值进行模式积分,
产生多个随机预报,通过统计分析给出几种最有可能的大气未来发展趋势的概率分布,供预报
员参考使用。这就是集合预报(图1)。
2.2发展历程
集合预报的研究并不是一个新课题。早在50年代,一些气象学家就考虑运用统计方法处
963,t965,1
理预报中不确定性内在本质来预报天气。60年代,Lorenz(1969)通过评估大气可
预报性,证实做为一种确定性系统的大气可能存在一个有限的预报时间(1963)。为了部分消除
这种单个初值动力预报不确定性大的缺点以及尽可能延长模式的可预报性时效,从大气初始
场的不确定性和大气系统的不稳定性理论出发,Epstein(】969)首先提出集合预报理论,目的
在于给出大气未来可能发展的概率分布。Leith在1974年首先进行了集合预报试验,用蒙特卡
Carlo
洛预报(Mante
·59·
确定性 随机性
j
T 时『日
图1集合预报示意图
左方小圈代表韧始条件不确定性范围,右方椭圆代表随机预报出现的范围,线条表示各成员的预报轨线.
丁是控制预报确定性预报上限
下进行集合预报试验,试验结果表明,如果扰动初值能够反映大气的不确定性,长时效的集合
预报有使用价值,即使集合成员不多,也会有同样结果。至此集合预报价值在理论和实践中都
得到证实和应用。80年代以后,人们就集合预报初值扰动、预报模式、样本容量、预报产品等问
题进行全面探讨和研究,使集合预报业务日趋完善,质量不断提高。
3集合预报基本问题
3.1扰动初值
集合预报的核心问题是扰动初值的形成。集台预报的发展也是集台预报初值扰动产生方
法不断得到发展和改进的过程,相继提出MCF方法、LAF、SV和BGM等方法,下面分别给予
介绍。
(1)MCF方法
MCF方法是早期集合预报扰动初值的产生方法,即在客观分析的基础上叠加一个小扰动
形成扰动初值。Leith(1974)等人的试验证明,MCF方法优于常规的单一动力预报。但是由于
随机扰动生成的任意性及初值样本位相空间的维数远大于实际可能做的集合预报个数,因此,
难以产生适用的扰动初值,效果不甚理想。
(2)LAF方法
1 Fore—
Average
983年Hoffman和Kalnay提出了替代MCF的滞后平均预
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