第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 221 近年来数值天气预报技术不断发展, 现在的数值天气预报已不再局限于传统的单一确定性预报, 集合预报系统已成为许多国家气象中心业务部门的重要组成部分集合预报系统可输出大量的预报场资料, 包含丰富的信息量, 其为预报员提供了一系列

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天缨安
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1 第 27 卷第 2 期 2016 年 3 月应用气象学报 JOURNALOFAPPLIED METEOROLOGICALSCIENCE Vol.27,No.2 March2016 郭换换, 段明铿, 智协飞, 等. 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征. 应用气象学报,2016,27(2): doi: / 基于犜犐犌犌犈资料的预报跳跃性特征郭换换段明铿智协飞胡航菲赵欢 ( 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 ) 摘要利用 2011 年 3 月 2013 年 2 月 TIGGE 资料中 ECMWF,NCEP 及 CMA3 个中心的 500hPa 位势高度场 850hPa 温度场和海平面气压场的集合预报资料, 采用 Jumpiness 指数同时结合单点跳跃异号两点跳跃等预报跳跃相关概念, 研究了集合控制预报和集合平均预报的预报跳跃特征问题, 并进行对比分析结果表明 : 平均而言, 短时效预报之间的跳跃性低于长时效预报之间的跳跃性集合平均预报的结果之间较其相应的控制预报具有更好的一致性在预报跳跃的频率统计方面, 集合平均预报结果总体上明显低于集合控制预报, 两者在长时效的预报跳跃情况差别较大该文研究了预报跳跃对不同区域时间和变量的敏感性, 结果表明 : 时间平均的预报跳跃性对区域和变量很敏感不同预报跳跃类型出现的频率及集合控制预报和集合平均预报在预报跳跃性方面的差异对区域时间和变量的敏感性有限关键词 :TIGGE 资料 ; 预报跳跃性特征 ;Jumpiness 指数引言最近 30 年, 随着大气科学及地球科学的研究进展及大气探测计算机等的飞速发展, 数值天气预报质量不断提高, 并已成为目前各国开展天气预报业务的重要手段, 其水平在一定程度上体现了一个国家的气象综合实力近年来, 随着中期数值天气预报的不断发展, 数值天气预报中也出现了一些新的 [1] 不可忽视的问题, 预报跳跃性是其中之一预报跳跃性, 指对未来某固定时刻的预报而言, 在连续多次预报中, 前后相邻两次预报所做出的结果之间差异较大的现象, 也称为预报不一致性 (inconsisten cy) 或预报不连续性 (incontinuity) [2 3] 在数值天气预报中, 由于目前动力预报系统本身不完善, 因此, 预报跳跃性不可避免, 其本身也不 [4] 是一个大问题但近年来, 随着政府部门对气象灾害防灾减灾的需求和公众生活对天气预报的要求越来越高, 预报跳跃性开始逐渐受到重视近 5 年, 以欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 为主, 开展了 [2 8] 一系列相关研究, 国内在这方面的研究还不多 [9] 见目前, 已开展的研究主要针对 ECMWF 美国国家环境预报中心 (NCEP) 和英国气象局 (UKMO) 预报系统在欧洲或北美地区预报跳跃问题的定量分析方法产生原因及其与预报误差的关系等方面的研究在预报跳跃的定量分析方法研究中, 主要通过建立预报跳跃指数对该现象进行定量分析但现 [2] 有的指数较少, 主要包括 Zsoter 等的 Jumpiness 指数即跳跃指数 Ehret [6] [5] 的收敛指数 Lashley 等的预报收敛评分等在预报跳跃的产生原因分析中, 已有研究主要从初始场误差和模式误差两个角 [3 4,10 12] 度来考虑, 但仅限于理论上的简要分析, 两者在预报跳跃形成过程中的具体作用还不明确总体而言, 目前对预报跳跃问题的研究还不全面, 对于国内外代表性预报系统在亚洲及其他地区的预报跳跃问题还未进行深入研究, 对预报跳跃性特征及改善方法等尚不明确收到, 收到再改稿资助项目 : 国家自然科学基金项目 ( ), 公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY ), 江苏省优势学科建设工程资助项目 (PAPD) 通信作者, mingkeng@nuist.edu.cn

2 第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 221 近年来数值天气预报技术不断发展, 现在的数值天气预报已不再局限于传统的单一确定性预报, 集合预报系统已成为许多国家气象中心业务部门的重要组成部分集合预报系统可输出大量的预报场资料, 包含丰富的信息量, 其为预报员提供了一系列的集合预报产品, 如集合平均预报集合离散度概 [10,13 20] 率预报等由于预报跳跃性的产生主要是由于初始不确定性和模式不确定性的存在, 而集合预报的出现为处理这些不确定性问题提供了一些途 [2,21] 径此外, 世界气象组织 (WMO) 在 THORPEX (theobservingsystem ResearchandPredictability Experiment, 全球观测系统研究和可预报性试验 ) 科学计划下成功实施了全球交互式大集合预报系统 (THORPEXInteractive Grand GlobalEnsemble, 简称 TIGGE), 是一个全球各国和地区的业务中心的联合行动, 它将各主要业务中心集合预报产品集 [22 24] 中到一起进行数据传输与应用, 这为开展以集合预报为主的科学研究提供了强有力的保证本文将在前人研究预报跳跃问题的基础上 ( 主要是采用其定量分析方法 ), 基于 TIGGE 预报资料, 拟以统计研究为主, 对 ECMWF,NCEP 和中国气象局 (CMA)3 个中心的集合控制预报和集合平均预报在亚洲地区的预报跳跃性特征问题进行研究, 同时在此基础上对两者的跳跃性特征进行对比, 探讨集合预报方法对预报跳跃性的影响, 从而在理论上进一步加强对预报跳跃现象的认识 1 资料和方法 1.1 资料本文所用资料包括 ECMWF,NCEP 和 CMA3 个中心的集合数值预报资料的集合控制预报和集合平均预报选取 3 个中心全球集合预报模式 2011 年 3 月 1 日 2013 年 2 月 28 日每日 00:00 和 12:00( 世界时, 下同 ) 起报的 500hPa 位势高度场 850hPa 温度场和海平面气压场资料研究区域有 4 个 ( 图 1), 分别为 A 区 :45 ~75 N,40 ~150 E;B 区 :50 ~70 N,50 ~140 E;C 区 :55 ~65 N,60 ~130 E; D 区 :20 ~40 N,70 ~160 E 其中,A,B,C3 个区域大小不一, 但有同一个区域中心 B 区和 D 区两者区域大小一样, 但相距较远水平分辨率为 1 1, 预报时效 ECMWF 为 0~360h,NCEP 为 0~ 384h,CMA 为 0~240h, 间隔为 6h 图 1 研究采用的 4 个区域 Fig.1 Fourdiferentareasusedintheresearch 1.2 方法 Jumpiness 指数要分析研究预报跳跃性, 首先要有客观的定量 [2] 分析方法本文主要采用 Zsoter 等的 Jumpiness 指数对预报跳跃问题进行定量研究该指数适用于确定性预报, 方法易理解, 且不需要实况分析场其定义为前后相邻两次预报之差与两次预报的平均标准差之比, 即犱 m, 犳 ( 犱, 狋 ) - 犳 ( 犱 +δ, 狋 -δ) 犐 m, 犳 ( 犱, 狋 ) = 0.5( 狊 m, 犳 ( 犱, 狋 ) + 狊 ) ( 1) m, 犳 ( 犱 +δ, 狋 -δ)

3 222 应用气象学报第 27 卷式 (1) 中, 犱表示起报时刻, 狋为预报时效,δ 为相邻两个起报时刻的时间间隔 ( 这里取为 12h), 下标 m 表示对变量取区域平均犳 ( 犱, 狋 ) 与犳 ( 犱 +δ, 狋 -δ) 表示预报时刻均为 ( 犱 + 狋 ) 的两个相邻起报时刻的预报结果, 起报时刻分别为犱和 ( 犱 +δ)( 如图 2 所示 ) 犱 m, 犳 ( 犱, 狋 )- 犳表 ( 犱 +δ, 狋 -δ) 示这两次预报结果之差, 狊 m, 犳 ( 犱, 狋 ) 和狊 m, 犳分别表 ( 犱 +δ, 狋 -δ) 示犳 ( 犱, 狋 ) 和犳 ( 犱 +δ, 狋 -δ) 预报结果区域平均的标准差式 (1) 右边以两次预报的平均标准差作为分母, 图 2 Jumpiness 指数定义中各变量的示意图 Fig.2 VariablesofJumpinessindex 实际上是对该指数进行标准化考虑到不同的预报系统有各自的特征 ( 如分辨能力和变率的不同 ), 这样处理使得不同预报系统的连续预报中不同预报时效的指数之间可相互比较不同预报跳跃类型的定义预报跳跃简单来讲指的是前后相邻两次预报结果差异较大的现象, 这里以单个时效预报的 Jumpi ness 指数的绝对值大小超过所给定的临界值时, 认为出现所谓的预报跳跃现象, 这里定义为单点跳跃其临界条件为单点跳跃, 但相邻两次预报的 Jumpiness 指数符号相反, 即认为出现一次异号三点跳跃现象这 3 种预报跳跃类型的示意图如图 3 所示图 3 中, 对于单个预报时效,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 3 个时效的 Jumpiness 指数均超过所给定的临界值, 满足单点跳跃的定义, 可狘犐 m, 犳 ( 犱, 狋 ) 狘 1 2 犐 m, 犳 ( 狋 ), ( 2) 犐 m, 犳 ( 狋 ) = 1 犖犖犐 2 m, 犳 ( 犱, 狋 ) 槡犱 =1 ( 3) 其中, 犱表示起报时刻, 犖为研究时段内起报时刻的个数, 犐 m, 犳为预报时效为狋的 ( 狋 ) 犖个 Jumpiness 指数的均方差, 称为时间平均跳跃指数在上述单点跳跃定义的基础上, 根据预报跳跃的强度, 定义了异号两点跳跃和异号三点跳跃两种预报跳跃类型对未来某固定时刻的预报而言, 在连续多次预报中, 若前后相邻两次预报均出现单点跳跃, 但两者的 Jumpiness 指数符号相反, 即认为出现一次异号两点跳跃现象若相邻 3 次预报均出现图 3 单点跳跃异号两点跳跃和异号三点跳跃定义示意图 ( 虚线表示 0.5 倍的时间平均跳跃指数, 即临界条件 ) Fig.3 Conceptsofflip,flip flopand flip flop flip(dashedline:halftheperiod average Jumpinessindexcaledcriticalcondition)

4 第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 223 认为 3 个时效的预报均出现单点跳跃现象对于两个预报时效 Ⅰ 和 Ⅱ 或 Ⅱ 和 Ⅲ, 其 Jumpiness 指数也满足异号两点跳跃的定义, 则可认为 Ⅰ,Ⅱ 两个时效或 Ⅱ,Ⅲ 两个时效的预报出现一次异号两点跳跃现象同理根据异号三点跳跃的定义可知,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 3 个时效的预报出现一次异号三点跳跃现象为研究不同预报类型预报跳跃之间的差异和联系, 在上述预报跳跃类型即单点跳跃异号两点跳跃和异号三点跳跃定义的基础上, 定义了平行单点跳跃平行异号两点跳跃和平行异号三点跳跃即当两个不同的预报类型 ( 如同一个预报系统的集合控制预报和集合平均预报 ), 其在同一个时效的预报同时出现单点跳跃或是异号两点跳跃或是异号三点跳跃, 且 Jumpiness 指数符号相同 ( 也就是同位相 ), 则定义这两个预报类型出现一次平行单点跳跃或平行异号两点跳跃或者平行异号三点跳跃预报跳跃性的相关性为了进一步评估不同预报类型预报跳跃性的差别和联系, 本文还采用相关系数来衡量对于某个预报时效来讲, 两个不同预报类型预报跳跃性之间的相关系数为犖犖槡犻 =1 犖犖犻 =1 犖 ( 犉犻 ) 2 - ( 犻 =1 犚 = 犖 ( 犉犻犌犻 )- 犻 =1 2 犉犻 ) 犖犉犻犻 =1 犖犖槡犻 =1 犌犻犖 ( 犌犻 ) 2 - ( 犻 =1 2 犌犻 ), (4) 式 (4) 中, 犻表示起报时刻, 犖代表研究时段内起报时刻的个数, 犉犻和犌犻代表两个不同预报类型预报结果的 Jumpiness 指数, 这两个预报可为一个预报系统的集合控制预报和集合平均预报, 也可为两个预报系统的集合控制预报或集合平均预报等 2 预报跳跃性特征以统计研究为主, 对 ECMWF,NCEP 和 CMA 3 个中心的集合控制预报和集合平均预报的预报跳跃性特征进行对比 : 预报跳跃的平均统计特征 ( 即时间平均预报跳跃性统计 ) 频率统计特征以及预报跳跃性对区域时间和变量的敏感性分析 2.1 时间平均预报跳跃性统计采用时间平均跳跃指数, 即式 (3), 对 ECMWF, NCEP 和 CMA3 个中心的集合控制预报和集合平均预报的预报跳跃平均统计特征进行研究研究区域为 A 区, 结果如图 4 所示由图 4 可知, 在这 3 个集合预报系统中, 平均而言, 随着预报时效的增长时间平均跳跃指数是增大的, 这与实践经验一致, 即短时效预报之间的跳跃性要低于长时效预报之间的跳跃性此外, 对于所研究的集合预报系统来讲, 集合平均预报的时间平均跳跃指数均小于其相应的集合控制预报的结果, 尤其是在长预报时效这种现象更加明显这表明, 采用集合预报对长时效预报之间的预报跳跃性具有一定的改善作用对于集合控制预报,ECMWF 和 NCEP 预报系统的指数均明显低于 CMA 预报系统,ECMWF 的指数较 NCEP 的结果略小对于集合平均预报, 随着预报时效的增长, 其时间平均跳跃指数增长较控制预报缓慢, 其中 CMA 的时间平均跳跃指数最大,ECMWF 的结果最小图 4 ECMWF,NCEP 和 CMA 集合预报系统 500hPa 位势高度场集合控制预报与集合平均预报的时间平均跳跃指数 Fig.4 Period averagejumpinessindexforcontrol andtheensemble mean500hpageopotential heightforecastsofecmwf EPS, NCEP EPSandCMA EPS 2.2 预报跳跃的频率统计对 3 个中心的集合控制预报和集合平均预报单独出现预报跳跃和两者之间同时出现预报跳跃的频率统计根据第 1 章给出的相关预报跳跃类型的定义, 分别对单点跳跃异号两点跳跃和异号三点跳跃以及各集合预报系统各自的集合控制预报与集合平均预报同时出现这 3 种预报跳跃类型的频率进行统计研究区域为 A 区, 结果如图 5 所示

5 224 应用气象学报第 27 卷图 5 ECMWF,NCEP 和 CMA 集合预报系统 500hPa 位势高度场集合控制预报与集合平均预报出现单点跳跃 (a) 异号两点跳跃 (b) 异号三点跳跃 (c) 以及平行单点跳跃 (d) 平行异号两点跳跃 (e) 和平行异号三点跳跃 (f) 的频率统计 Fig.5 Frequencystatisticsofoccurrencesofflip(a),flip flop(b),flip flop flip(c),paralelflip(d), paralelflip flop(e)andparalelflip flop flip(f)forcontrolandensemble mean500hpa geopotentialheightforecastsofecmwf EPS,NCEP EPSandCMA EPS 图 5a 和 5d 分别是集合控制预报与集合平均预报出现单点跳跃和平行单点跳跃的频率统计在图 5a 中, 对于所研究的集合预报系统, 在整个预报时效内, 集合控制预报和集合平均预报出现单点跳跃现象的频率均维持在一个较高的水平, 达 50% 以上, 且随着预报时效的增长, 显示出微弱的上升趋势, 频率特征很相似在图 5d 中, 对于各个预报系统, 在短预报时效内, 集合控制预报和集合平均预报同时出现单点跳跃的频率很高, 结合图 5a 可以说明, 两者出现单点跳跃现象几乎是同步的但随着

6 第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 225 预报时效的增长, 该频率逐渐降低, 说明两者在长预报时效出现单点跳跃现象仍有差别图 5b 和 5c 是集合控制预报与集合平均预报出现异号两点跳跃和异号三点跳跃的频率统计图 5e 和 5f 分别是这几个集合预报系统各自的集合控制预报和集合平均预报之间同时出现异号两点跳跃 ( 即平行异号两点跳跃 ) 和异号三点跳跃 ( 即平行异号三点跳跃 ) 的频率统计对比图 5b 图 5c 与 5a 可知, 所有集合预报系统出现异号两点跳跃和异号三点跳跃的频率均低于出现单点跳跃的频率, 出现异号三点跳跃现象的频率最低此外, 异号两点跳跃和异号三点跳跃现象的频率特征很相似, 在短预报时效, 每个预报系统的集合控制预报和集合平均预报的频率很接近, 且频率波动均比较大, 但在中长期预报中, 两者的频率均逐渐增大, 集合平均预报的频率要低于集合控制预报的频率, 这与单点跳跃现象的特征不同图 5e 图 5f 与之前的图 5d 特征很相似, 不同的是这两种跳跃类型的频率均低于同时出现单点跳跃的频率, 且这两种现象在短时效的频率波动比较大综合图 5a 图 5b 和 5c, 对于所有的集合预报系统来讲, 出现单点跳跃异号两点跳跃和异号三点跳跃的频率依次降低总体而言, 集合平均预报出现预报跳跃的频率小于集合控制预报, 尤其在长预报时效更加明显这表明, 集合平均预报的预报跳跃水平较集合控制预报要低, 集合预报对长时效预报之间的预报跳跃具有一定的改善作用综合图 5d 图 5e 和 5f 可以看出, 集合控制预报和集合平均预报在长时效的预报跳跃情况差别比较大为进一步研究该现象, 在 2.3 节中计算了集合控制预报和集合平均预报的 Jumpiness 指数时间序列的相关系数 2.3 集合控制预报和平均预报的跳跃相关性统计图 6 是 ECMWF,NCEP 和 CMA 集合预报系统各自集合控制预报和集合平均预报之间 500hPa 位势高度场的 Jumpiness 指数的相关系数由图 6 可以看出, 在所研究的集合预报系统中, 对于短时效的预报而言, 集合控制预报与集合平均预报的 Jumpiness 指数之间的相关性十分显著 ( 相关系数接近于 1) 但随着预报时效的增长, 两者的相关性逐渐减弱表明集合控制预报与集合平均预报在长时效的预报跳跃情况差别较大, 与 2.2 节结论一致图 6 ECMWF,NCEP 和 CMA 集合预报系统集合控制预报和集合平均预报之间 500hPa 位势高度场 Jumpiness 指数的相关系数 Fig.6 Correlationof500hPageopotentialheight Jumpinessindexbetweencontrolandthe ensemble meanforecastsofecmwf EPS, NCEP EPSandCMA EPS 2.4 预报跳跃性的敏感性为了评估上述预报跳跃性特征的稳定性, 针对不同区域时间和变量, 对比预报跳跃性特征在这里仅针对 ECMWF 预报系统展开研究预报跳跃性对区域的敏感性在本节中选取图 1 所示的 4 个区域进行预报跳跃性对区域的敏感性研究 A,B,C3 个区域范围依次减小, 但平均而言, 三者的气候特征和天气系统一样, 以此可以研究预报跳跃性对区域大小的敏感性 D 区和 B 区的区域大小一样, 但平均而言, 两者的气候特征和天气系统不同, 可用来探讨预报跳跃性对所选区域天气气候的敏感性图 7 对比了 A,B,C3 个区域的时间平均跳跃指数, 可以发现, 无论是集合控制预报还是集合平均预报,A 区域的时间平均跳跃指数最小,C 区域的结果最大, 且随着预报时效的增长,3 个区域的差异也逐渐增大这表明, 时间平均预报跳跃对区域大小十分敏感, 研究区域越小, 其时间平均跳跃指数越大, 预报跳跃的强度越强对比 B 区和 D 区的结果, 虽然两者的区域大小一样, 但 B 区的时间平均跳跃指数明显大于 D 区, 尤其是两者的集合控制预报结果这说明时间平均预报跳跃对所选区域的气候特征和天气系统也是敏感的此外, 对于每个区域自身的集合控制预报和集合平均预报而言, 随着

7 226 应用气象学报第 27 卷图 7 ECMWF 集合预报系统 500hPa 位势高度场集合控制预报与集合平均预报在不同区域的时间平均跳跃指数 Fig.7 Period averagejumpinessindexfor500hpa geopotentialheightcontrolandensemble mean forecastsofecmwf EPSforfour diferentareas 预报时效的增长, 集合控制预报对区域的敏感性大于集合平均预报另外, 对不同区域出现预报跳跃现象的频率也进行对比研究 ( 图略 ), 结果表明 : 预报跳跃现象出现的频率对区域大小和其气候特征以及天气系统的敏感性有限, 即各区域的频率差别不明显集合控制预报和集合平均预报在预报跳跃方面的差异对区域的敏感性也有限预报跳跃性对时间的敏感性由图 8 可知, 整体来看, 集合控制预报和集合平均预报在各个季节出现单点跳跃的频率基本在 10%~20% 之间波动集合控制预报各季节在短时效出现单点跳跃的频率稍有差异 ( 图 8a), 夏季发生的频率最高, 冬季发生的频率最低, 春秋两季出现的频率居于冬夏之间随着预报时效的增长, 各季节的频率均表现出微弱的上升趋势, 且差异也逐渐减小集合平均预报也表现出与集合控制预报相似图 8 ECMWF 集合预报系统 500hPa 位势高度场集合控制预报与集合平均预报出现单点跳跃现象的频率的季节变化特征 (a) 集合控制预报结果,(b) 集合平均预报结果 Fig.8 FrequencystatisticsofthefipoccurrenceforECMWF EPScontrolandensemble meanforecasts forfourseasonsat500hpageopotentialheight (a)thecontrolforecasts,(b)theensemble meanforecasts 的特征 ( 图 8b), 集合平均预报各季节出现单点跳跃现象的频率与集合控制预报的结果差别不大对其他预报跳跃类型在各个季节的频率也做了同样分析 ( 图略 ), 结果表明, 无论是集合控制预报还是集合平均预报均表现出与图 8a 相似的特征, 即各个季节的频率差别不大总体来看, 预报跳跃现象出现的频率及表现特征对时间的敏感性有限预报跳跃性对变量的敏感性由于资料限制, 本文仅选取 500hPa 位势高度场 850hPa 温度场及海平面气压场进行预报跳跃性的对比研究, 探讨预报跳跃性对变量的敏感性由图 9 可知, 无论是集合控制预报还是集合平均预报, 海平面气压场时间平均跳跃指数最大, 500hPa 位势高度场次之,850hPa 温度场的结果最小这表明在研究区域内, 海平面气压场的预报结果之间较 500hPa 位势高度场和 850hPa 温度场具有更大的跳跃性,850hPa 温度场的预报结果之间的预报跳跃性最小同时, 对于这 3 个变量而言, 三

8 第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 227 者各自的集合控制预报与集合平均预报之间所表现出来的特征十分相似, 即对于短时效的预报, 集合控制预报和集合平均预报的时间平均跳跃指数差别不大但随着预报时效的增长, 集合平均预报的结果小于其相应的集合控制预报的结果不同的是随着预报时效的增长, 海平面气压场中两者的差异大于 500hPa 位势高度场和 850hPa 温度场, 即集合预报对海平面气压场的预报跳跃性强度的改善作用更加明显此外, 对于 500hPa 位势高度场 850hPa 温度场和海平面气压场, 三者集合平均预报之间的差异小于相应的集合控制预报, 这表明集合平均预报的时间平均预报跳跃对变量的敏感性小于集合控制预报另外, 对于不同变量出现预报跳跃现象的频率也做了相应的统计分析 ( 图略 ) 总体而言, 不同预报跳跃类型出现的频率及集合控制预报和集合平均预报在预报跳跃方面的差异对变量的敏感性有限, 即各变量差别不大 1) 时间平均预报跳跃性特征平均而言, 短时效预报之间的预报跳跃性要低于长时效预报之间的预报跳跃性在集合预报系统中, 集合平均预报的结果之间较其相应的控制预报具有更好的一致性, 尤其在长时效的预报结果之间更加明显 2) 预报跳跃的频率特征对于所研究的集合预报系统来讲, 出现单点跳跃异号两点跳跃和异号三点跳跃的频率依次降低集合控制预报和集合平均预报在长时效的预报跳跃情况差别较大两者之间 Jumpiness 指数相关系数进一步证实了该结论 3) 预报跳跃对区域时间和变量的敏感性时间平均预报跳跃对区域和变量很敏感集合控制预报对区域和变量的敏感性大于集合平均预报不同预报跳跃类型出现的频率及集合控制预报和集合平均预报在预报跳跃方面的差异对区域时间和变量的敏感性有限参考文献 [1] PerssonA,RiddawayB.Increasingtrustinmedium rangeweather forecasts. 犈犆犕犠犉犖犲狑狊犾犲狋犲狉,2011,129:8 12. [2] ZsoterE,BuizzaR,RichardsonD. Jumpiness oftheecm WFand Met Ofice EPScontrolandensemble meanfore casts. 犕狅狀犠犲犪犚犲狏,2009,137(11): [3] PappenbergerF,ClokeH L,PerssonA,etal.HESSopinions onforecast(in)consistencyinahydro meteorologicalchain: Curseorblessing?. 犎狔犱狉狅犾犈犪狉狋犺犛狔狊狋犛犮犻,2011,15: [4] PerssonA.UserGuidetoECMWFForecastProducts.Read ing,unitedkingdom:ecmwf,2011: [5] LashleySL,FisherL,SimpsonBJ,etal.ObservingVerifica tiontrendsandapplyingamethodologytoprobabilisticpre 图 9 ECMWF 集合预报系统 500hPa 位势高度场 850hPa 温度场以及海平面气压场的集合控制预报与集合平均预报的时间平均跳跃指数 Fig.9 Period averagejumpinessindexforcontrol andensemble meanforecastsofecmwf EPS for500hpageopotentialheight,850hpa temperatureandthemeansealevelpressure 3 结论本文利用 TIGGE 资料, 研究 ECMWF,NCEP 和 CMA3 个集合预报系统中集合控制预报与集合平均预报的预报跳跃性特征问题, 得到以下几点结论 : cipitationforecastsata National WeatherServiceForecast Ofice.Preprints,19thConfonProbabilityandStatistics,New Orleans,LA,Am MeteorolSoc,2008. [6] EhretU.Convergenceindex:Anewperformancemeasurefor thetemporalstabilityofoperationalrainfalforecasts. 犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻狊犮犺犲犣犲犻狋狊犮犺狉犻犳狋,2010,19(5): [7] PappenbergerF,BognerK,WeterhalF,etal.Forecastcon vergencescore:aforecaster sapproachtoanalyzinghydro meteorologicalforecastsystems. 犃犱狏犌犲狅狊犮犻,2011,29: [8] BognerK,PappenbergerF.Multiscaleerroranalysis,correc tionandpredictiveuncertaintyestimationinafloodforecas tingsystem. 犠犪狋犲狉犚犲狊狅狌狉犚犲狊,2011,47:W [9] 李佰平, 智协飞.ECMWF 模式地面气温预报的四种误差订正方法的比较研究. 气象,2012,38(8): [10] 杜钧. 集合预报的现状和前景. 应用气象学报,2002,13(1): [11] 庄照荣. 集合卡尔曼滤波资料同化系统的设计及其在集合预

9 228 应用气象学报第 27 卷报中的应用. 北京 : 中国科学院研究生院,2007: [12] 王鹏飞, 王在志, 黄刚. 舍入误差对大气环流模式模拟结果的影响. 大气科学,2007,31(5): [13] 李泽椿, 陈德辉. 国家气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用. 应用气象学报,2002,13(1):1 15. [14] 陈静, 陈德辉, 颜宏. 集合数值预报的发展与研究进展. 应用气象学报,2002,13(4): [15] 段明铿, 王盘兴. 集合预报方法研究及应用进展综述. 南京气象学院学报,2004,27(2): [16] 关吉平, 张立凤, 张铭. 集合预报研究现状与展望. 气象科学, 2006,26(2): [17] 麻巨慧, 朱跃建, 王盘兴, 等.NCEP ECMWF 及 CMC 全球集合预报业务系统发展综述. 大气科学学报,2011,34(3): [18] 杜钧, 陈静. 单一值预报向概率预报转变的基础 : 谈谈集合预报及其带来的变革. 气象,2010,36(11):1 11. [19] 毛恒青, 陈谊, 陈德辉. 神威中期集合数值预报产品的业务应用. 应用气象学报,2002,13(1): [20] 赵琳娜, 刘莹, 党皓飞, 等. 集合数值预报在洪水预报中的应用进展. 应用气象学报,2014,25(6): [21] RuthD,GlahnB,DagostaroV,etal.TheperformanceofMOSin thedigitalage. 犠犲犪犉狅狉犲犮犪狊狋犻狀犵,2009,24: [22] 智协飞, 陈雯.THORPEX 国际科学研究新进展. 大气科学学报,2010,33(4): [23] 纪永明, 陈静, 矫梅燕, 等. 基于多中心 TIGGE 资料的区域 GRAPES 集合预报初步试验. 气象,2011,37(4): [24] 林春泽, 智协飞, 韩艳, 等. 基于 TIGGE 资料的地面气温多模式超级集合预报. 应用气象学报,2009,20(6):

10 第 2 期郭换换等 : 基于 TIGGE 资料的预报跳跃性特征 229 犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳狋犺犲犉狅狉犲犮犪狊狋犑狌犿狆犻狀犲狊狊犅犪狊犲犱狅狀犜犐犌犌犈犇犪狋犪 GuoHuanhuan Duan Mingkeng ZhiXiefei Hu Hangfei ZhaoHuan ( 犆狅犾犪犫狅狉犪狋犻狏犲犐狀狀狅狏犪狋犻狅狀犆犲狀狋犲狉狅狀犉狅狉犲犮犪狊狋犪狀犱犈狏犪犾狌犪狋犻狅狀狅犳犕犲狋犲狅狉狅犾狅犵犻犮犪犾犇犻狊犪狊狋犲狉狊犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲牔犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔, 犖犪狀犼犻狀犵 ) 犃犫狊狋狉犪犮狋 Basedon500hPageopotentialheight,850hPatemperatureandthemeansealevelpressureforecasts from ECMWF,NCEPandCMAinTIGGEdatasets,characteristicsoftheforecastjumpinessforthecon trolandensemble meanforecastsandthecomparisonoftheircharacteristicsconductedusingjumpinessin dexandotherdiferentforecastjumps:theflip,flip flop,flip flop flipandsoon.resultsindicatethatin termsoftheperiod averageforecastjumpinessfeatures,theperiod averagejumpinessindicesincreasewith theforecastrangeinagreementwiththepracticalexperiencethatforecastsareusualymoreconsistentat shortforecastranges.andforensemblepredictionsystem,theensemble meanforecastislessjumping thanitscorrespondingcontrolforecast,especialyatlongforecastranges,whichindicatesthattheforecast jumpinesscouldbereducedusingtheensembleprediction method.andbothforthecontrolforecastand ensemble meanforecast,theforecastjumpinessofecmwfislower.infrequencystatisticsoftheforecast jumpiness,frequenciesoftheflip,flip flopandflip flop flipareindescendingorder.forthesethreetypes offorecastjumps,thefrequencyofensemble meanforecastissignificantlylowerthanthatofthecontrol forecastespecialyatlongforecastranges.itindicatesthattheensemble meanforecastislessjumpingthan itscorrespondingcontrolforecast,whichalsoshowsthattheforecastjumpinesscouldbereducedusingthe ensembleprediction method.thefrequencyvariationofparalelflip,paralelflip flopandparalelflip flop flipindicatesthatthecontrolforecastandensemble meanforecasthavelargediferenceatlongfore castranges.andthecorrelationcoeficientoftheirjumpinessindicesalsoconfirmsthisconclusion.at last,thesensitivityoftheforecastjumpinesstoareas,timeandparametersarepresented.resultsshow thattheperiod averageforecastjumpinesshasastrongsensitivitytotheareaandparameter.andthesen sitivityofthecontrolforecasttotheareaandparameterisstrongerthanthatofensemble meanforecast. Thesmalerthestudiedareais,thelargertheperiod averageforecastjumpinessbecomes,whichindicates thattheforecastjumpinessintensityisstronger.astheweatherandclimatecharacteristicsoftheselected areasarenotthesame,theperiod averageforecastjumpinessisdiferent.fordiferentvariables,theperi od averageforecastjumpinessisalsovarious.theperiod averagejumpinessindexofmeansealevelpres sureisthemaximum,theresultof500hpageopotentialheightisthesecond,andtheminimumresultis 850hPatemperature.Thatistosay,theforecastjumpinessintensityoftemperatureislowerthangeopo tentialheightresults.andthefrequencyofdiferentforecastjumpsandthediferenceofthejumpinessbe tweencontrolforecastandensemble meanforecastshowlitlesensitivitytothechoiceofthearea,timeand parameter. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :TIGGEdata;characteristicsofforecastjumpiness;Jumpinessindex

殐殐 27 1 Vol.27 No ImagingScienceandPhotochemistry Jan.,2009 檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐 *O! "# #B) 1,CDE 1, 2, 1 (1., ;2., ) $ %:3 J = 2J4

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