（气象学专业论文）对t213l31模式实际可预报性的诊断研究.pdf

浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 摘要 为了检验t 2 1 3 模式的性能与产品的质量，了解其可预报性，本文用2 0 0 2 年1 月1 日至2 0 0 4 年5 月3 1 日两年5 个月的资料，计算模式总体场的标准误差 和相关系数；同时采用5 5 经纬度网格，计算了5 个要素场各层次的标准误差 和相关系数，并对不同季节的场作了比较讨论。在进一步了解预报技巧( 即距平 相关系数a c c ) 变化的特征、规律和关联因子的基础上，对预报技巧变化的机制 作了一个初步探讨。基于大气时空变化的复杂性，我们针对各个季节分别设计了 基于支持向量机的用来预报预报技巧的模型。 对上述结果的研究表明：( 1 ) 标准误差和相关系数在不同季节、空间和不同 预报时次情况下都存在明显的差异：相对来说秋季标准误差较好，春冬季节较差， 夏季表现得最不稳定。从相关性来看也有相似特点；从预报时效来看，随着预报 时效的延长，5 个要素场各层标准误差和相关系数逐渐变差；各层上的标准误差 分布也比较有特点，温度场由低层到高层标准误差总体趋势减小，相对湿度场却 反之。高度场、w 风分量场的总体趋势却表现为中层标准误差大，低层和高层 相对较小；( 2 ) 建立预报预报技巧的支持向量机模型，用该模型预报的结果表明， 模型预报值可以较好地反映预报技巧变化的趋势。说明将支持向量机应用于预报 技巧的预报是可行的，有意义的。 关键词：动力气象学，t 2 1 3 模式，可预报性，相关系数，标准误差，距平相关 系数，统计检验，支持向量机，预报技巧的预报 浙江大学硕士学位论文 对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 a b s t r a c t i no r d e rt oc h e c k o u tt h et 2 1 3m o d e l sc a p a b i l i 饥m eq u a l 时o fi t sp r o d u c t s 锄di t s p r e d i c 切b i l i 饥i i lt l l i sp a p e r w ec a l c u l a t es t a l l d a r de r r o r ( s e ) a n dc o r r e l a t i o n c o e m c i e n t ( r ) o ft h e 西v e nf i e l d su s m gt l l em o d e l s 铆oy e a r s 甜l df i v em o n m s d a t a 舶mj a l l u a 巧1 ，2 0 0 2t om a y3 1 ，2 0 0 4 i na d d i t i o n ，as c h e m eo f5 x 5l a t i t u d ea n d l o n g i t u d ei n t e r v a l lf i e l d si su s e dt 0c a l c u l a t es ea 1 1 dro ff i v ek e ye l e m e n t si nd i 廊r e n t l a y e r s ，a n dt h ef e a t u r e so f 1 ef i e l d si i ld i a e r e n ts e a s o n sa r ea l s od i s c u s s e d a r e r 矗n d i n go u t 也ef e a t u r e s ，r u l e s 觚dc o n e l a t i o n 蠡c t o r sf o rt l l ec h a n g ef o r e c a s ts k i l l ( n a m e l ya i l o m a l yc o r r e l a t i o nc o e m c i e n t ) ，w er e s e a r c hi t sc h a n g i n gm e c h a n i s m p r i m 2 u r i l y c o n s i d e r i n gm ec o h l p l e x i t ) ro ft h ea t m o s p h e r e ss p a c e t i m ec h a n g e ，w e d e s i g i lm o d e l sb a s e do ns u p p o r t 、厂e c t o rm a c h i n e ( s v m ) f o rd i f f e r e n ts e a l s o n s ， r e s p e c t i v e l y t h ea _ b o v e m e n t i o n e dr e s u h ss h o w ：( 1 ) s ea n dro fd i f f e r e n te l e m e n t s f i e l d si n d i 日e r e ms e a s o n sa n ds p a c e - t i m eh a v eo b v i o u sd i 髓r e n tf e a _ t u r e s s ei s r e l a t i v e l y b e t t e ri na u t h a no t h e rs e a s o n s ，a 芏l ds ei ns p r i n ga n dw i n t e r 试( e st h es e c o n d p l a c e ，i ns u m m e r ，s eb e h a v em o r eu n s t a b l e rh a st l l es i m i l a rf e a _ t l l r e s ：f r o mf o r e c a s t e g - e c t ，s ea n dro ff i v ee l e m e n t si nd i 丘e r e ml a y e r sg r a d u a l l yb e c o m ew o r s ew i t h f o r e c a s tt i i l l e e l a p s i n g ； s ei nd i 虢r e n t l a y e r s s h o w sd i d e r e mf e a t u r e s ；f r o m l o w - l e v e l st oh i g h l e v e l s ，m es eo ft e m p e r a t u r ef i e l d sb e c o m el e s sa saw h o l e ， h o w e v e r ，也er e l a t i v eh u m i d i 哆f i e l d s f o r e c a s tr e s u l t sa r er e v e r s e s eo fh e i g h tf i e l d s a 1 1 d 谢n dv e c t o rf i e l d so f ”a n dva r eb i g g e ri 1 1t l l em i d d l el a y e r sa sa w h o l e ，w h i c ha r e r e l a t i v e l ys m a l l e ri nl o wl a y e r sa l l dh i 曲l a y e r s ( 2 ) m o d e l sb a s e do nt h es v ma r e p r o p o s e dw h i c ha r eu s e dt 0f 0 r e c 2 l s tt ：h ef o r e c a s t s k i l l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f o r e c a s tv a l u e sc a n p r e f i e r a b l yr e n e c tt h ef o r e c a s ts k i l l sc h a n g et r e n d i tp r o v e st h a t u s i n gs v mt of 0 r e c a s tt h ef o r e c a s ts k i l li sf e a s i b l ea n ds i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：d y n a m i cm e t e o r o l o g y ，t 2l3m o d e l ，p r e d i c t a b i l i 够a n a l y s i s ，c o r r e l a t i o n c o e f ! f i c i e n t ，s 伽1 d a r de r r o r ，a n o m a l yc o l l r e l a t i o nc o e 伍c i e n t ，s t a t i s t i ct e s t ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i r i e ，f o r e c a l s tt h ef o r e c a s ts l ( i l l i l 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权浙江大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3l 模式实际可预报性的诊断研究 第一章绪论 自1 9 2 1 年第一张数值天气形势预报图问世以来，数值天气预报模式技术发 展经历了从l f r i c h a r d s o n 的“原始方程模式 ( 硒c h 矾s o n ，1 9 2 2 ) 至 c h a r e y ，f j o r t o f t 和v o n e u m a n n 的“虑波简化模式”( c h a h l e y ，1 9 5 0 ) ，再到 改进的“原始方程模式”的过程( h a l t i n e r ，1 9 8 0 ) 。模式水平分辨率由几百公里 提高到目前的几公里至几十公里。数值预报不但应用于短期和中期预报，在月季 年短期气候预报上也不断得以推广。预报对象也从大尺度天气系统扩展到多种时 空尺度的空气运动。利用数值模式预报暴雨、台风等己成为天气预报的重要不可 缺少的手段。数值预报已成为现代天气预报的基础，其核心技术是现代天气预报 的核心技术。随着数值预报产品的不断丰富，数值预报产品已成为天气预报的基 础，并且逐渐成为预报员不可缺少的工具。 1 1 大气的可预报性理论 然而大气是一个非常复杂的非线性系统，它的预报时效有一定的范围，超出 这个范围，预报将完全失去技巧。大气中存在的可预报性是其固有的属性，确定 和估计这种预报时效的大小、探索造成可预报时效的物理原因，研究误差增长和 传播的规律，寻找延长模式可预报时效的途径等，构成了可预报性理论研究的主 要内容。从t i l o m p s o n ( t 1 1 0 m p s o n ，1 9 5 7 ) 和l o r e n z ( l o r e n z ，1 9 6 3 a ；l o r e l l z ， 1 9 6 3 b ) 开创确定性系统的可预报性研究以来，关于大气和气候的可预报性已经 有了很多工作( 丑纪范，1 9 9 0 ；l o r e n z ，1 9 9 3 ；b r a u 呔o v i c ，1 9 9 4 ；纪立人，1 9 9 5 ) ， 这些研究大大加深和丰富了人们对可预报性问题的认识，也深化了人们对大气运 动本身和其演变规律的理解。 然而由于大气的复杂性，在数值预报的模拟研究和业务实践中，人们发现， 数值预报时效提高很慢，预报结果也很不稳定性。以欧洲中心中期数值预报业务 发展为例( 李泽椿，2 0 0 2 ) ，过去2 0 3 0 年里，中期数值预报的可用时效( 以 5 0 0 h p a 的距平相关系数达0 6 为标准) 平均每十年才提高一天，而且可用时效再 延长，困难越来越大。且不同的数值模式对同一次天气过程的预报相差很大，用 一数值模式提前5 天作出的预报，其准确率可能高于提前两天的预报。目前无论 是在数学、物理提法上，还是在定量估计上；无论是在成因分析上，还是在延长 模式可预报的手段上，都还有待进行深入的分析和研究。 1 2 预报技巧的预报研究目的和意义 基于以上这些情况，如果我们能把这些预报评分特别低的个例区分出来，这 浙江大学硕士学位论文 对他1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 将是非常有意义的。至少我们可以指出哪些预报结果有可能产生较大的误差，给 用户一个警告信息。另一方面，当大气处于稳定维持发展阶段时，数值预报对初 始误差的敏感相对较小，如果事先做出这样的预测，我们就可以简单地延长预报 时间，尤其是对那些预报评分较高的个例。在我们分发数值预报产品时，同时提 高对该次预报可靠程度的估计，使预报员和广大用户心中有数，从而更充分更有 效地发挥天气预报的预警和保障作用。以上思想就是对预报技巧的预报( 谭季青， 1 9 9 3 ) 所期望达到的目的。 我国的数值预报研究和业务应用已经有二十多年的历史，其中中期数值预报 从t 4 2 l 9 、t 6 3 l 1 9 、t 1 0 6 l 1 9 发展到目前新一代的t 2 1 3 l 3 1 ( 以下简称t 2 1 3 ) 。t 2 1 3 是中国气象业务预报全球谱模式提供的，我国投入业务运行的最新的数值预报产 品，它已经取代t 1 0 6 成为气象部门的新的预报工具。由于预报评分随个例、季 节等有明显的变化，且t 2 1 3 是新一代的数值预报产品，因此考证t 2 1 3 数值预报 产品的质量是有效应用该产品的重要步骤，为今后产品的改进和预报员的预报提 供更深入的认识基础。 另外国际上目前对预报技巧变化的机制尚处于探索阶段。传统的统计方法存 在着样本少( t 2 1 3 至今最多只有两年多的资料) ，没有相关程度很高的因子等困 难，所以我们尝试用人工智能的一种新方法支持向量机( s u p p o r tv e c t o r 魄c h i n e 或s v m ) 应用于预报技巧的预报。 本文的目的是要以国家气象中心的t 2 1 3 模式预报实践为基础，考证t 2 1 3 数值预报产品的质量，了解预报技巧变化的特征、规律和关联因子，进而设计于 预报技巧方案，并对预报技巧变化的机制作一个初步探讨。 1 3 本文的研究内容和方法 第三章，考证t 2 1 3 数值预报产品的质量。对t 2 1 3 模式运用2 0 0 2 年1 月1 日至2 0 0 4 年5 月3 1 日每天2 0 点的上述预报产品序列资料和初始场资料，计算 分析t 2 1 3 资料各要素场( 3 0 0 h p au 矿风场；5 0 0 h p a 高度场、温度场、，y 风场； 7 0 0 h p a 比湿场；8 5 0 h p a 比湿场、温度场和“矿风场) 的2 4 、4 8 和7 2 h 预报场的 标准误差和相关系数，计算了它们的平均值及各时次平均值之间的差值。检验范 围是3 0 1 7 9 。e ，5 8 5 。n 。为了便于比较，还将模式预报场统一划分5 5 经纬 度网格( 3 0 1 6 个点) ，计算每个预报场的相关系数( 式1 1 ) 和标准误差( 式 1 2 ) 。同时将上述计算另外分季节来讨论。 卫 一一 ：( 彳r 一么r ) ( 鸽一4 ) r = 2 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 距= 、恃( 4 一鸣) 2 ( 1 2 ) 兰缸，一j l 一石硎b 。一才l 一面劫 觚2 蓐蓊霉丽菰丽 a 3 兰b ，一j ) 一硎兰一j l 一硎 “。 式中a 广要素的预报场：j 6 卜要素的实况场；，彳一要素气候平均场；n - 格点数： i 卜相关系数；s e 一标准误差，a c c 一距平相关系数。s e 值小表示预报误差小； 反之表示预报误差大，可预报性不强。所以第三章的主要研究手段是用f o r t r a n 9 0 编程及诊断分析r 与r m s 。 第四章，计算5 0 0 h p a 高度场距平相关系数( 式1 3 ) 的大小，按档次进行逐 日预报个例的统计分类。了解预报技巧的统计规律，最后根据这些统计规律，根 据谭季青博士( 谭季青，1 9 9 3 ) 提到的关于预报技巧变化的机制假说和观点。从 预报技巧变化的机制假说观点出发，定义几个预报因子，然后从诊断的角度，探 讨个因子与预报技巧的关系。 第五章，根据支持向量机建模，分别建立各个季节关于北半球区域范围7 2 小时预报技巧的s v m 预测模型。 3 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 第二章文献综述 弟一早义陬琢途 传统的天气预报方法，在相当程度上依赖于预报员的经验和主观判断。因此 在一定程度上存在不客观，不定量的缺点。数值天气预报是建立在更加坚实的理 论基础上，寻求一种较为客观定量的预报方法。它采用描述地球大气运动规律的 流体力学和热力学等方程组，根据某一时刻观测到的大气运动状态，求解方程组， 计算未来某一时刻大气的状态和运动情况。这就是数学物理方法，通过具体计算， 数值求解控制大气运动的基本方程组，从而使天气预报从主观到客观，从定性到 定量。 然而大气系统是一个极其复杂的强迫耗散非线性动力系统，对初始误差极其 敏感，初始场微小尺度的扰动可能迅速增长，通过非线性相互作用向大尺度传播 放大，这使得大气的运动存在可预报的极限( 丑纪范，1 9 9 5 ) 。即由于小尺度现 象的不确定性，进行数值积分所用到的初始场不可避免地与真实大气状态之间存 在微小的误差，而大气内部的动力不稳定与非线性相互作用将这种初始误差随时 间的延长而放大，最终使整个大气运动变得不确定。这种现象导致了在用初始场 对动力模式进行积分的过程中，确定论的逐日天气预报存在一个可预报的限度， 这就是逐日天气预报的可预报性。 2 1 大气的可预报性理论 2 1 1 可预报性理论研究现状 可预报性问题的系统研究开始于本世纪6 0 年代，研究的一个主要目的是对所 谓决定论预报的可能时效作出科学的估计，为当时正进行的全球大气研究计划 ( g a 舢) 它的重要目标是发展中期数值天气预报，提供依据，避免盲目性。 而逐日天气预报的时效就是由这种可预报性所决定的。根据以上理论一般认为逐 日天气预报的时效最大为两周左右( 王绍武，1 9 9 3 ) 。而l e i t h ( l e i t l l ，1 9 7 4 ) 则通过显示一些不稳定真实大气的实例反驳了上述观点，认为由于一个大气阻塞 状态通常会大于四周，因而可预报极限可以大于两周。以上这些可预报性理论只 强调这个界限存在的必然性，而对局地可预报性及何种扰动最易使误差不稳定增 长等一系列实际问题没做进一步工作，而这些正是实际业务预报中主要关心的问 题。 因此之后一段时间关于可预报性的研究，大部分都结合业务模式和具体天气 形势来展开。主要是通过分析实际资料以及应用各种数值模式进行数值试验，资 料的精确性和模式构造的可靠性问题对于大气系统的可预报性的研究有很大影 响。例如s m a g o r i n s k y ( s m a g o r i n s k y ，1 9 6 9 ) 应用g f d l 的九层原始方程模式的 4 浙江大学硕士学位论文对他1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 试验表明前7 天误差随时间指数增长，其倍增时间为2 5 天，随着误差增长，其 增长速度减小，表现出非线性过程，给出的可预报时间约为8 天。l o r e i l z ( l o f e n z ， 1 9 6 5 ) 用2 8 个波的二层斜压模式进行了数值试验，发现误差增长随着“天气形 势 有很大的变化，有些4 天内误差几乎没有增长，而某些4 天中误差增长了 1 0 倍。平均来看，风场和温度场的误差倍增时间大约4 天，从当前的观测精度 来看，这意味着能作一个星期左右的预报。 而近年来，大气环流模式日臻完善，大气动力学研究近十年来有很大进展， 特别是非线性动力学的兴起，为可预报性问题的研究提供了新的观点和方法。人 们除了对经典的问题可预报时间长度作出新的估计外，更注重研究误差增长 规律和影响误差增长的物理因子，探索可预报性在时空上不一致的物理原因，从 而寻找延长可预报时效的有效途径。l o r e i l z ( l o r e l l z ，1 9 6 5 ) 曾推测，如果初始 误差减小一半，可预报性可增加3 天。s h u k l a ( s k u l a ，1 9 8 1 ) 的研究指出，南半球 的可预报性衰减明显比北半球快，这与m i y a l ( o d a ( m i y a k o d a ，1 9 6 8 ) 的试验结 果相同，他们认为这与南北半球的下垫面差异有关。m i y a k o d a ( m i y a l ( o d a ，1 9 8 3 ) 给出了4 年e c m 岍可预报性的逐月变化，最大值出现在冬季，最小值在夏季。 v a l l i s ( v a l l i s ，1 9 8 3 ) 研究了b 和斜压性对可预报性的影响。陈明行，纪立人( 陈 明行，1 9 8 9 ) 用数值试验方法，对模式预报中误差的增长的物理机制作了初步研 究，包括初始误差特征( 大小，分布形态) 对以后误差增长的影响，误差增长的波 谱特征，地形对不同尺度误差增长的不同影响，以及南北半球误差增长特征比较 和初始误差分别在南北半球引入时全球误差增长比较。结果为，初始误差的大小 直接影响以后的误差增长，相比而言，初始误差的随机分布形态影响很小。小尺 度误差自身增长较快，并通过各尺度之间的非线性相互作用，小尺度误差向大尺 度和行星尺度误差转移，促使整个系统的误差增长。地形对误差增长的影响为， 当初始误差特征尺度为小尺度( 8 2 1 波) 时，地形加强误差增长，初始误差为行星 尺度( o 3 波) 时，地形抑制误差增长，可能存在一临界波长，该波长在4 7 波之间。 故地形对可预报性的影响与初始误差的特征尺度有关。在初始误差相同时，北半 球误差增长较南半球快。另外还为提高模式预报能力，就模式本身及初始化方案 等方面进行了讨论。总的来说，非线性动力学应用于可预报性研究方面还比较少。 统计方法是进行可预报性研究的另一条途径，从过去几十年业务预报的实践 经验来看，统计预报具有一定的准确率，能够反映出大气运动的部分规律( 丑纪 范，1 9 8 6 ) 。l o r e n z 曾把一个包含1 2 个变量的两层斜压谱模式输出的结果当作实 际大气演变的资料，然后用统计方法作预报，目的是检验统计方法的预报能力， 但后来却在偶然的机会中发现了非周期性现象，并进一步指出导致系统对初值极 其敏感特征的非周期性是影响预报效果的根本因素( l o r e n z ，1 9 6 3 b ；l o r e n z ，1 9 6 2 ) 。 这涉及到应用统计方法研究系统可预报性的问题，但显然当时所使用的统计方法 5 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 是比较简单的。例如黄嘉佑( 黄嘉佑，1 9 9 5 ) 提出了一个关于西太平洋副热带高 压的统计动力预报模型，利用它和典型相关分析方法对冬、春和夏季逐月副高的 可预报性进行研究。结果表明，模式的可预报性依赖于预报量场和因子场所提取 的分量数，模式的差分形式及预报落后步长。模式对夏季副高预报具有一定的可 能性。任宏利，戴新刚，丑纪范( 任宏利，2 0 0 3 ) 较深入地探索了应用统计方法 研究大气系统的可预报性问题。为避免使数学问题的处理变得复杂化，从能反映 大气某种行为的最简单特性的l 0 r e n z 简化热对流模式出发，将其产生的吸引子区 域内的混沌解序列当作“大气演变资料，应用已有的一些统计方法，分析“资 料 所具有的统计特性，并进行预报。总的来说，在过去的几十年中，统计方法 有了显著的发展，出现了许多基于新思想、新途径的统计模型( 马开玉，1 9 9 3 ； 苏炳凯，1 9 8 8 ；黄嘉佑，2 0 0 0 ：项静恬，1 9 8 6 ；魏风英，1 9 9 9 ) 。 2 1 2t 2 1 3 模式可预报性研究现状 2 0 0 2 年9 月1 5 日，国家气象中心新一代中期数值预报系统t 2 1 3 投入了业务使 用，标志着我国的中期数值预报又迈上了一个新的台阶。t 2 1 3 谱模式的水平分辨 率由t 1 0 6 的1 2 0 k m 提高到6 0 k m ，垂直层次由1 9 层提高到3 l 层，模式顶为1 0 h p a ， 水平和垂直分辨率比t 1 0 6 提高约一倍。因此其计算量、内存需求和结果存储量 都大大增加，使多处理机的并行处理成为必然；t 2 1 3 l 3 l 在格点空间采用规约化 高斯格点，即减少赤道附近地区以外的纬圈的高斯格点数，使这些纬圈的格点长 度不能被用来进行快速傅氏变换；模式采用半拉格朗日方法处理平流；模式包含 一整套比较先进的物理过程，包括辐射方案、次网格尺度、地形拖曳、积云对流 参数化、湍流扩散、云和大尺度降水以及土壤和陆面过程。它已经取代t 1 0 6 成 为气象部门新的预报工具。相关模式的可预报性及其理论，前人已做过不少研究， 如李狮( 李狮，2 0 0 1 ) 等曾对9 2 1 0 工程m i c a p s 系统中t 1 0 6 谱模式的客观分析场 和预报场的可预报性进行了初步诊断，并分析了模式误差的自身预报问题。谭季 青( 谭季青，1 9 9 3 ) 、李志锦( 李志锦，1 9 9 6 ) 等对国家气象中心t 4 2 l 9 模式北 半球5 0 0 h p a 高度场的实际可预报性进行了诊断研究，寻找延长预报时效及误差预 报的有效途径。由于t 2 1 3 是新一代数值预报产品，因此考证t 2 1 3 数值预报产品 的质量，为今后产品的改进和预报员的预报提供更深入的认识基础是有必要的。 2 2 预报技巧之预报的研究现状 2 2 1 预报技巧的定义 预报技巧( f o r e c a s ts k i l l ) 是反映预报场和实况场吻合程度的量。在实际 业务预报中常用来表示预报技巧的量是五个：平均误差( 公式2 1 ) 、均方根误 差( 1 2 ) 、倾向相关系数( 2 2 ) 、预报评分( 2 。3 ) 和距平相关系数( 1 3 ) 。 6 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3 l 模式实际可预报性的诊断研究 尬= 寺( 彳，一4 ) ( 2 1 ) o 睹i 卫 一 一 ( 4 0 d j 一彳) ( 彳o 。，一彳) 舰= 上l ；：一 ( 2 2 ) i ， 1 ( 4 卿一石) ； y ，= l 田：墨二婴( 2 3 ) l 一7 c c 式中a 广要素的预报场：j o 一要素的实况场；，彳一要素气候平均场；n 一格点数； r 相关系数( 式1 1 ) ；m 畔均误差；t c h 顷向相关系数；s i 一预报评分。 这几个量是从不同角度来反映预报技巧，各有优劣。一般多用a c c 和r m s 来表示预报技巧。所以我们在建立s v m 模型来预报预报技巧时，为统一起见，采 用5 0 0 h p a 高度场的距平相关系数来表示预报技巧。 2 2 2 预报技巧之预报研究现状 影响预报技巧有主观的因素，也有客观的因素。我们这关心的客观因素，即 当大气处于不稳定发展阶段时，小尺度扰动迅速发展，通过非线性相互作用就可 影响大尺度运动，从而使得整个解非常不稳定，解的不确定性较为显著，误差增 长异常迅速。若能够事先把这些个例按照预报评分高低区分出来，这一思想就是 预报评分的预报所期望达到的目的。这一思想较经典可预报性理论有了进一步的 认识，它揭示了模式对初始误差的敏感性与初始状态的稳定性有关，是对经典可 预报性理论研究的进一步深入。因为经典可预报性只揭示了大尺度系统较小尺度 系统有更高的可预报性，而对预报评分的预报是试图找出可预报性高或低个例的 具体环流型。 关于预报技巧的预报方面，国内外主要作了一下三个方面： 一、从大量实际个例的诊断分析入手，揭示预报技巧异常高( 低) 个例的共 同环流特征，进而研究这些特征的物理意义。一个典型的例子是p a l m e r 和t i b a l d i ( p a l m e ra l l dt i b a l d i ，1 9 8 6 ) 等人研究得出第9 天北半球预报评分与p n a 型模 态的振幅变化有较强的相关关系。 二、选择能够反映环流特征、环流的稳定性以及误差增长的因子，建立单因 子或多因子的经验的或统计预报方案，例如k a l n a y ( k a l n a y ，1 9 8 3 ) 用单因子 s p i 也a d 作为预报因子，用三个月的逐日预报资料，针对北半球第五天预报技巧 用条件概率统计预报方法作预报，取得一点效果，但不大理想，她归因于资料和 因子较少；a k e s s o n o ( a k e s s o n o ，1 9 8 3 ) 研究了欧洲上空第5 天预报误差型和 初始条件下天气的特征的关系，结果发现：欧洲的强负误差中心常常与其上游的 7 浙江大学硕士学位论文对他1 3 l 3 1 模式实际可预报性的诊断研究 北美地区低指数环流特征相联系；p a l m e r 觚ds t i b a l d i ( p a l m e ra n ds t i b a l d i ， 1 9 8 8 ) 讨论了预报技巧的预报问题，提出了四个预报因子：s p r e a d 、对初始场e o f 典型场的回归因子、第一天预报技巧和初始场的i 蝴s 变化因子。其预报结果尚 可，预报结果与实况的相关为o 4 5 左右；m o l t e n i 雒dp a l m e r ( m o l t e n ia 1 1 dp a l m e r ， 1 9 8 8 ) 用条件概率多因子预报方法，对第五天的欧洲区域预报技巧作了事后预测， 结果稍有改善；谭季青、纪立人( 谭季青，1 9 9 6 ) 利用国家气象中心( 北京) t 4 2 l 9 模式的初始资料和预报资料，对5 0 0 h p a 高度场的预报技巧进行了统计分 析，并用一个简单的正压准地转谱式对两个典型个例的正压不稳定性进行了研 究。结果发现：北半球5 0 0 h p a 高度场第五天的预报与初始场某些验正交函数的 曲型有关。预报技巧与初始场的稳定性及其误差和背景场的配置有关。 以上在因子的选择上，这方面工作，通常是根据预报因子和预报量之间的单 相关系数的大小来确定。在实际应用中会发现，单相关系数的大小有时往往受个 别点的影响，去掉或增加个别点，相关系数就会产生很大的变化，于是包含这些 强影响的数据所导出的统计推断就不稳定。另一方面，单相关系数的大小只是考 虑了单因子与预报量之间的统计关系，忽略了因子之间的共同作用对预报量的贡 献。有时某些因子的单相关系数虽然很小，但它们的共同作用对预报量的贡献却 很大。在因子初选时，由于这些因子与预报量之间的单相关系数过小而往往被抛 弃。针对这一情况，陈孝源( 陈孝源，1 9 9 4 ) 从因子场与预报场之间的整体相关 性着手，通过典型相关分析，用求得的典型变量作为预报因子，以期望提高因子 的可预报性。经试验表明，新因子的可预报性比原因子有明显的提高。但在因子 的选择方面，仍有待改进。 三、对误差增长规律进行动力学研究，发展预报评分预报的动力学方法，改 进模式预报能力。例如刘还珠、张绍晴等( 刘还珠，1 9 9 4 ) 采用国家气象中心 t 4 2 l 9 模式1 9 9 2 年1 月和7 月预报，对聊模式热量系统误差的进行动力诊断 分析表明，模式对纬向位温具有较好的预报能力，但在各纬带也存在明显的误差。 指出该误差是由于预报时段内模式大气和真实大气中西风加速过程不同造成的。 通过无加速定理的分解分析，研究了这些误差的成因及改善模式的可能途径；张 道民、纪立人和李金龙( 张道明，1 9 9 7 ) 用中国科学院大气物理研究所的全球谱 模式t 4 2 l 9 和国家气象中心提供的1 9 9 4 年3 月到1 9 9 5 年2 月3 6 个例子( 每月 3 个) 的全球客观分析资料做了较系统的动力( 月) 预报试验，检验了预报结果， 分析了模式的气候漂移，并对预报结果进行了系统误差订正，结果表明预报评分 有明显的季节变化，冬季较高，夏季较低，动力预报高度距平相关系数北半球各 个季节的平均都明显高于持续性预报和气候预报。在此基础上，张道民、纪立人 ( 张道民，2 0 0 1 ) 用一个全球谱模式通过较多个例的月数值天气预报试验，研究 了预报结果的有用信息提取问题。模式预报误差的谱分析表明，纬向平均( 零波) 8 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3l 模式实际可预报性的诊断研究 场误差占很大比重。；另外刘还珠、腾俏彬( 刘还珠，1 9 9 9 ) 利用国家气象中心 第二代中期数值预报模式计算了1 月和7 月的预报诊断量，计算结果表明，新一 代模式在动力外强迫作用、辐射通量和对流参数化等物理过程方面的改进，模式 预报的系统误差明显减小。通过对角动量、热量和水汽的经向输送和收支平衡的 分析，认为该模式在地形处理、陆面过程、云辐射和积云对流参数化等物理过程 还有待迸一步改进。 总的来说，关于可预报性和预报技巧之预报仍有许多重要的问题没有解决， 而且无论是在物理、数学的提法上，还是在定量估算上；无论是在成因分析上， 还是在延长模式可预报时效的手段上，都还有待进行深入的分析和研究。 9 浙江大学硕士学位论文对t 2 1 3 l 3l 模式实际可预报性的诊断研究 第三章对t 2 1 3 预报场可预报性的检验评价 选用t 2 1 3 资料要素场( ，y 风场、高度场、温度场、比湿场) 的2 4 、4 8 和 7 2 h 预报场的标准误差和相关系数，并计算了它们的平均值。检验范围是3 0 1 8 0 。e ，5 8 0 。n 。样本取自2 0 0 2 年1 月1 日至2 0 0 4 年5 月3 1 日每天2 0 点的上 述预报产品序列资料。由于这里考虑的是中短期预报的统计检验，两年半的样本 数可以反映中短期预报的统计特征。实际上m i l t o n ( m i l t o n ，1 9 9 1 ) 等人只根据 9 1 个样本对全年1 到5 天的预报技巧就做出了公认的客观评估，李狲( 李狮， 2 0 0 1 ) 等在比较t 1 0 6 与其它数值预报产品时，实际所用的样本数也是在1 0 3 1 2 7 个之间不等。在我们的检验中，在除去缺数据的天数后，模式计算样本都达 到6 7 8 个以上。2 4 、4 8 和7 2 h 的样本数分别为7 0 1 、6 8 3 、6 7 8 个。除了计算总 体场的相关系数和标准误差，为了便于比较，还将模式预报场统一划分5 5 经 纬度网格( 1 5 1 7 6 个点) ，计算每个预报场的相关系数( 式1 1 ) 和标准误差( 式 1 2 ) 。标准误差值小表示预报误差小；反之表示预报误差大，可预报性不强。 3 1t 2 1 3 模式各要素场各层总体预报效果 3 1 1 温度场总体检验结果分析 由表3 1 ，温度场在不同层次上的相关系数和标准误差，随着预报时效的延 长逐渐变差。从温度场各层标准误差来看，从低层到高层，个例两年多时间总体 平均及各季节的标准误差总体趋势减小。从2 4 小时预报来看，在1 0 0 0 h p a 一5 0 0 h p a 层，标准误差减小；4 0 0 h p a 一2 0 0 h p a 上又呈增大趋势；1 5 0 1 0 0 h p a 层上，标准误 差往高层又减小；7 0 h p a 上又有较大标准误差值。所以高层上，标准误差最小值 基本集中在l o o h p a 层上。该层上标准误差个例总体平均为o 7 6 ，春季为o 6 9 ，夏季为o 9 8 ，秋季最小，为0 6 6 ，冬季为0 7 6 ；低层到中层上的最 小值，则位于5 0 0 h p a 层上。该层上个例总体平均为0 8 4 ，春季为o 8 5 ，夏 季为o 9 4 ，秋季为最小，o 7 5 ，冬季为0 8 3 。 从4 8 小时和7 2 小时预报来看，在1 0 0 0 h p a 3 0 0 l l p a 层，标准误差减小； 2 5 0 ”a - 2 0 0 1 1 p a 上又呈增大趋势；再往高层，其趋势与2 4 小时预报相同。所以 高层上标准误差的最小值，则位于1 0 0 h p a 层上。该层上4 8 小时和7 2 小时预报 场的温度场总体标准误差分别为1 1 2 、1 5 7 。春季分别为1 0 4 、1 3 2 ， 夏季分别为1 0 9 、2 0 6 ，秋季最小，为1 o 、1 2 8 ，冬季分别为1 2 8 、 1 7 3 ；低层到中层上，标准误差最小值则位于3 0 0 h p a 层上。该层上4 8 小时和 7 2 小时预报场的温度场总体标准误差分别为1 3 9 、l 。8 9 。春季分别为1 4 1 、1 8 4 ，夏季分别为1 4 、2 - 2 ，秋季最小，为1 3 2 、1 7 4 ，冬季分 l0 【o o卜o寸崎0o 0西西o卜0o 西oo o卜0寸o 00 西o o on o 西oo 卜o oo o 寸0o吣西o呻o 0呻o 0o 西0o o oo o o o o 0卜o oo oo 0 寸o o卜o o o0o o oo o口o oo o oo 0 h h z 卜一卜一【式【n z一卜。一n n 式卜“nn 【西式 o o tn in i卜io o i 【甘一 呻1i 甘。一n n 式【式寸z 1 0口卜o_ 【0甘on 0卜00呻oo o 0 寸i 甘卜一崎卜i 卜0甘西o卜oo o 0甘on o o 卜o o 吣o oo 吩o o o 0 o o o o 0o 西o oo on o o卜卜o 0 o o oo o 0 0_ 【西0h 西oo o 西0o o o 甘oo 卜o - o西o o卜西o0o o 0o卜o o 0西西oo o 0 【n o o0 甘n 0甘on o譬西o_ 【oo h 0口n on o on 00 【西o - o卜o oo o o【on 0甘o oo崎o on o o_ 【西oo o 曲in ih 吩i 【o 式o n 寸卜- i o 一 【西i甘i n i z呻式卜n “ o oo o i寸h i甘o甘in 1o n i婶i o 一o - io i一 n o口o 0卜00n o西卜0卜卜0卜0o o西【一n i一 n 式口o “h 式n n 式卜n 文o n 式式h 式i寸崎“n “ 式 h 0o o o 0o 0【卜o 0卜0o o oo o oo oo o oo 0n o o 0o oo 卜o o 卜0甘西o卜o 0旧西o甘o o呻oo- 0卜o - o n o o oo o 0n o 0n o o o o 0on 0n 0n 西000【0 o 0o o n o卜0o o西o卜0卜o 0卜o 0 o o o旧o田西o 卜oo o 0卜o oo 卜o_ i 呻oo 卜0寸卜on 卜- 0 呻卜on 卜oh o卜q o 【0o on 0o卜0- 01 6 o【o o 【o o oo o 00_ 【o o 0 ，oo 0 o 西，o寸卜o 。oon 口o呻o 寸o o 6呻o oo o 0 n o o o 卜 o o o n o o n 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