地球科学进展, 2019, 34(7): 706-716 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0706

综述与评述

极端天气的数值模式集合预报研究进展

高丽,1, 陈静1, 郑嘉雯1,2, 陈权亮2

1. 国家气象中心,中国气象局数值预报中心,北京 100081

2. 成都信息工程大学,大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225

Progress in Researches on Ensemble Forecasting of Extreme Weather Based on Numerical Models

Gao Li,1, Chen Jing1, Zheng Jiawen1,2, Chen Quanliang2

1. CMA Numerical Prediction Center,National Meteorological Center,Beijing 100081, China

2. College of Atmospheric Science/Plateau Atmosphere and Environment Laboratory of Sichuan Province,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225, China

收稿日期: 2019-02-12   修回日期: 2019-05-25   网络出版日期: 2019-07-26

基金资助: 国家科技支撑计划项目“基于集合预报的中期概率预报技术研发”.  2015BAC03B01
集合概率预报方法研究”.  41875138

Received: 2019-02-12   Revised: 2019-05-25   Online: 2019-07-26

作者简介 About authors

高丽(1978-),女,内蒙古阿拉善左旗人,高级工程师,主要从事天气动力学与集合预报研究.E-mail:gaol@cma.gov.cn

GaoLi(1978-),female,AlashanZuoqi,InnerMongoliaAutonomousRegion,Seniorengineer.Researchareasincludeweatherdynamicsandensembleforecasting.E-mail:gaol@cma.gov.cn

摘要

在气候变化背景下,极端天气事件(暴雨、高温热浪和低温冷害等)发生频次有不同程度增加的趋势,由极端事件造成的气象灾害也呈现增多趋势,因此开展极端天气的预报研究尤为重要。系统性回顾了极端天气预报的主要方法、数值模式集合天气预报发展现状及其在极端天气预报中的应用情况以及集合概率预报的订正方法研究进展。目前,极端天气的预报以动力数值模式方法为主导,即以集合概率预报信息为主要依据的动力预报方法成为当前国际上极端天气业务预报的主流方法。基于数值模式集合预报的极端天气预报应用和依靠概率预报偏差订正来改进极端预报,是当前该领域研究的重要发展方向。在全面回顾的基础上,围绕如何发展有效方法提升极端事件识别和预报水平,进一步提出未来极端天气集合预报发展的几点建议。

关键词: 数值模式 ; 集合预报 ; 极端天气 ; 概率预报 ; 检验 ; 预报订正

Abstract

Under the background of climate change, extreme weather events (e.g., heavy rainfall, heat wave, and cold damage) in China have been occurring more frequently with an increasing trend of induced meteorological disasters. Therefore, it is of great importance to carry out research on forecasting of extreme weather. This paper systematically reviewed the primary methodology of extreme weather forecast, current status in development of ensemble weather forecasting based on numerical models and their applications to forecast of extreme weather, as well as progress in approaches for correcting ensemble probabilistic forecast. Nowadays, the forecasting of extreme weather has been generally dominated by methodology using dynamical models. That is to say, the dynamical forecasting methods based on ensemble probabilistic forecast information have become prevailing in current operational extreme weather forecast worldwide. It can be clearly found that the current major directions of research and development in this field are the application of ensemble forecasts based on numerical models to forecasting of extreme weather, and its improvement through bias correction of ensemble probabilistic forecast. Based on a relatively comprehensive review in this paper, some suggestions with respect to development of extreme weather forecast in future were further given in terms of the issues of how to propose effective approaches on improving level of identification and forecasting of extreme events.

Keywords: Numerical models ; Ensemble forecasting ; Extreme weather ; Probabilistic forecast ; Verification ; Forecast correction.

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高丽, 陈静, 郑嘉雯, 陈权亮. 极端天气的数值模式集合预报研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(7): 706-716 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0706

Gao Li, Chen Jing, Zheng Jiawen, Chen Quanliang. Progress in Researches on Ensemble Forecasting of Extreme Weather Based on Numerical Models. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(7): 706-716 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0706

1 引 言

极端天气是指在一定地区一定时间内出现的历史上罕见的气象状况,20世纪以来,在气候变化背景下极端天气(暴雨、高温热浪和低温冷害等)事件频繁发生。极端天气(如极端高温和低温)所造成的经济损失以及给社会带来的影响非常巨大,甚至对人民生命和财产造成指数型增长的损失[1]。应对极端天气引起的气象灾害已经成为21世纪人类面临的重大课题之一。我国气候和自然地理条件复杂,极端天气具有种类多、频次高、阶段性和季节性明显、区域差异大、影响范围广的特点。例如,2006年四川盆地东部的极端高温天气,有些地方持续了将近50 d,最高气温达到了44 ℃;2008年1月发生在我国南方的低温冻害,对我国社会经济产生了巨大影响;2012年7月北京“7·21”特大暴雨,造成了严重损失。近十几年来,极端天气逐渐呈现出发生范围广、持续时间长的特点,如何提高对这些温度和降水的极端天气的预报能力,是目前我国气象部门面向国家防灾减灾和重大服务需求的重要发展方向。

极端天气是小概率状况,其发展存在很大的不确定性,用数值天气模式对其进行单一初值的确定性预报远远不够,客观上需要引入集合预报概念。作为数值预报发展的一个重要方向,集合预报可考虑到初值以及模式的不确定性,其结果反映了未来天气的多种可能变化状况,能为用户提供单一确定性预报所不能提供的概率性信息(如预报结果的可信度等)[2~6]。而且,集合预报所提供的概率结果可以给出极端事件在未来出现的可能性,对于低概率天气事件具有更好的预报效果[7],已成为极端天气预报的重要工具。然而,我国目前针对极端天气的预报业务还相对薄弱,亟待开展相关研究。

由于极端天气状况具有样本少和不连续的特点,进行极端天气分析时遇到的最大问题之一是缺乏高质量且时间分辨率适合分析极端性的长序列资料[8]。为此,利用有效的方法对集合预报提供的极端信息进行提取和检验,从而对极端天气进行识别和预报,具有重要科学和实际意义[9~11]。而且,极端天气预报分析所面临的另一个难题是对于定时定点定量的极端概率预报的准确度亟待提高,特别是对超出短时临近预报时效的中期—延伸期的极端天气预报。因此,业务发展的迫切需求客观上需要对我国极端天气的预报问题开展有关可预报性和集合概率预报方法研究。

由此可见,极端天气的预报已经成为国际上越来越关注的重点,其重要性甚至比通常的天气预报更大,但也充满挑战。本文将对极端天气预报的主要方法、数值模式集合预报方法的发展和在极端预报中的应用情况以及模式集合概率预报的统计订正研究进行全面回顾,总结存在的科学和技术问题,并对未来发展进行展望。

2 极端天气预报的主要方法

如何有效预报极端天气一直是气象学界的一个热点和难点问题。针对极端事件的预报主要包括统计方法、动力方法以及动力—统计相结合方法。

2.1 统计方法

统计方法是从大量历史资料中寻找统计规律,运用统计方法建立关系,需要建立初始条件和以后某个时刻条件之间的统计关系。该方法的关键环节是利用现有观测资料和统计工具建立起预报因子与极端预报量之间的转换关系。很显然,极端事件是现有数据中的小概率事件,可用样本极少,难以通过寻找统计规律的办法直接对极端天气事件进行预报。因此,前人工作通常是对一段时期内的诸如极端降水日数、高温日数、低温日数等作为预报量进行气候意义上的极端预测[12~15],而并非是针对某个极端天气事件开展预报。统计预报方法对用于统计建模的资料样本数要求较高,特别是对于出现较少极端事件,样本太少会导致统计模型稳定性不好。统计预报模型所用方法一般为线性和非线性函数,包括多元回归、均生函数模型、最优子集回归、典型相关分析(Canonical Correlation Analyses,CCA)、混合回归模型以及人工神经网络(Artificial Neural Networks,ANN)等。预报因子多采用大尺度环流因子或环流特征量。例如,有学者运用统计相似方法开展未来1~40天的旬—月极端高温发生概率及高温日数的预报试验研究[16],也有运用热带大气季节内振荡指数来对澳大利亚极端降水发生概率进行延伸期预报[17]。总体来看,就极端天气事件而言,统计模型受到样本数限制其适用性并不好,多在气候意义上使用。

2.2 动力方法

动力方法是指基于数值模式的预报场和时间序列,利用所预报变量的极端天气阈值,根据模式结果来预报极端天气的强度、发生概率或频次。随着数值模式的不断发展,目前主要通过模式的大样本集合信息对极端事件进行预报,并已发展成为预报极端事件的主要方法。例如,欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)应用模式集合预报制作发布不同地区极端气温、降水和海平面气压概率分布图,中国气象局国家气象中心利用多初值集合来做天气要素的极端天气概率预报,即采用集合预报模式的多个成员来制作极端概率预报[18,19],而国家气候中心则应用动力延伸期预报模式(Dynamical Extended-Range Forecasting,DERF)制作旬—月10%极端高温落区与高温日数概率预报产品[16]。目前,针对短期天气预报的数值模式极端天气集合预报研究较多,但对于中期—延伸期预报的相关研究开展的相对较少。总体来看,动力方法主要依赖于数值模式及其相关的集合预报,这与集合预报的样本数密切相关,将在后面2节加以详述。

2.3 动力—统计相结合方法

动力—统计相结合方法是采用动力模式的预报进行统计释用的方法,一般是以数值模式为主体、统计工具为辅助,目的是提升原有模式的预报技巧。Hamill等[20]利用数值模式回报相似来进行概率定量降水量预报的订正,能够显著提升概率预报技巧。这为运用模式历史预报信息改进当前极端事件预报提供了一种有效的途径。近些年来,统计方法不断发展,如与随机天气发生器(Weather Generator,WG)结合进行极端要素预报。例如,国家气候中心采用DERF与最优子集回归(Optimal Subset Regression,OSR)—WG综合方法预测旬、月35 ℃(和38 ℃)高温日数、暖昼日数、冷昼日数、暖夜日数、冷夜日数和极端强降水日数[16],但这仍是气候意义上的预测。总体来看,动力—统计相结合方法既能够充分利用预报技巧较高的动力模式输出信息,又兼具统计降尺度的优点,可以预报模式不直接输出的气候变量或者提高模式可直接输出但技巧较低的要素预报,但目前在极端天气预报方面的研究工作非常少。因此,直接利用动力模式集合信息或者在模式基础上辅之以统计模型来进行极端天气的预报(例如,可通过对集合概率预报订正来提升极端预报技巧)是当前一个很有前景的发展思路。

3 集合天气预报方法的发展

当前国际上主流业务机构的极端天气预报均是基于数值模式的初值集合概率信息来实现的,下面将简要介绍集合天气预报的发展状况。

集合预报思想最早在20世纪70年代初前后由Epstein[21]和Leith[22]提出。把不同模式和不同成员的预报输出组成集合预报的方法已经被广泛应用于气象以及其他领域,如取集合成员的算术平均。近20年来,与简单的算术平均相比,发展了许多复杂方法对集合成员构建不同权重或者偏差订正,例如线性回归[23]、贝叶斯平均[24]、人工神经网络[25]、非线性回归[26]和时间变化权重偏差订正方法[27],模型组合有效地提高了大部分个体的预报,并且可以超越最佳预报模型[28]。对于多模式集合预报,集合模式在统计学上或多或少有彼此的独立性,并且各个集合模式的平均值将抵消非系统误差[29]。为了提供可信的极端事件早期预警,需要足够大的集合成员数量。另外,模式分辨率的提高也能使事件的预报准确度有所提高[30]。但是,随着更多的模型被包含在一个集合中,新信息的数量按比例减少,表明目前用于解释多模式集合的方法可能导致对集合预报的过度自信[31]

集合预报方法的发展经历了几个不同阶段。早期的集合扰动初值方法一般是蒙特卡洛预报(ManteCarlo Forecasting, MCF)方法。Leith[22]研究表明,MCF的效果优于单一动力预报,但是这种效果并不是很理想,这主要是因为随机扰动生成的任意性和初值样本位相空间的维数通常远大于实际可能做的集合预报个数,导致难以产生适用的集合扰动初值。Hoffman等[32]提出了滞后平均预报(Lag Average Forecasting,LAF)方法,该方法继承了MCF的优点并且充分利用了历史观测信息,并在一定程度上优于MCF方法。然而,这2种方法均存在集合预报中成员之间发散程度小的弊端,会导致集合预报无法较好地涵盖到未来可能出现的小概率事件。为了使发散程度产生尽可能大的初值扰动,Mureau等[33]提出奇异向量(Singular Vector,SV)法,即对预报模式使用切线性共轭方程方法,直接计算对应切线性模式的奇异模态,取若干个具有最大特征值的奇异向量成为一组最优发展扰动向量,并利用它们作为集合扰动叠加在模式初值基本态上,积分得到的结果将反映初始场中具有最大线性增长的误差分布。与此同时,Kalnay等[34]提出了初始误差增长越快、扰动初值越好的思想,Toth等[35,36]进一步提出了增长模繁育(Breeding of Growing Modes,BGM)的方法,即在作为初值的客观分析场上加入很小的扰动,然后将添加扰动的场与原有分析场各自积分6 h得到的结果相减得到一个差值场,再将这个差值场重新尺度化,使之在均方根误差范围内有意义,从而形成扰动初值。鉴于后2种方法能够刻画初始观测误差最快发展方向,在理论有明显优势且能够显著提升预报技巧,因此陆续在各国数值天气预报业务中得到广泛采用,已成为构建集合预报系统的常规扰动方法[37]

近些年来,集合扰动方法有了进一步的发展。卡尔曼滤波(Kalman Filter, KF)方法是一种与数据同化过程相结合的集合扰动生成方法[37]。其中,集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter, EnKF)是将蒙特卡罗法与KF相结合,以集合预报所生成的样本协方差近似地对KF中的协方差矩阵进行估计,以此避免了复杂的高维矩阵逆运算和对协方差矩阵进行积分的过程,使得EnKF在集合预报中得到应用成为可能[38]。集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)[39~41]是近年来迅速发展并得到广泛应用的一种集合预报初始扰动方法。最初针对适应性观测,提出ETKF理论,后将其创新应用于集合预报初始扰动的构造[42]。该方法借助资料同化中的观测信息将预报误差和分析误差建立联系,可以反映观测资料的空间分布对结果的影响。同时,利用矩阵的变换,确保生成扰动在观测空间的正交性。我国科学家近年来利用ETKF方法陆续开展了集合预报初始扰动方法的相关研究。龙柯吉等[43]利用ETKF初始扰动方案的GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)区域集合预报系统,证明ETKF方案生成的扰动大小、结构分布均合理,相应的集合预报效果明显优于随机扰动方法。马旭林等[44]进一步优化了目标观测敏感区识别系统中的ETKF算法,为GRAPES集合预报系统中ETKF初始扰动方案的猴戏发展提供有力依据。智协飞等[45]利用WRF模式,针对ETKF方法和BGM方法对台风“苏拉”开展对比试验,表明ETKF集合预报对台风路径预报的改善程度远大于BGM初始扰动方法。

在上述线性扰动集合方法研究基础上,为了考察非线性对初始扰动增长的影响,克服线性假设的缺陷,穆穆等[46]提出了基于条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)形成的一种新型的集合预报方法。由于CNOP的计算是一个最优化的过程,目前应用上受到计算量的制约。另一种由我国学者提出的基于非线性局部Lyapunov向量(Nonlinear Local Lyapunov vectors, NLLVs)的集合扰动新方法,已经在简单模型中得到应用,并显示出优势[47]。未来如何将这些新方法运用到极端天气的概率预报中值得进一步探索。

1992年,随着大规模并行计算的发展,美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)先后把集合预报系统投入业务运行。相比之下,我国起步稍晚,于1999年建立了基于国产神威计算机的集合预报业务系统,2005年底建立并运行在全球T213L31模式基础上的全球集合预报系统,对集合预报的研究发展较晚。作为其升级版本,T639全球集合预报系统(制作全球模式1~15天集合预报)是由中国气象局数值预报中心开发的集合数值预报业务系统,于2014年8月正式投入业务运行,但是受中期数值产品的精度和资料长度的限制,部分小概率预报对象的预报水平仍然偏低。目前GRAPES全球集合预报系统已于近期正式投入业务运行。集合成员个数和模式分辨率均能在一定程度上对预报准确度产生影响。而且,集合成员之间的离散程度是决定集合平均预报技巧的重要因素,即决定了集合平均预报的均方根误差和随着集合成员数增加预报技巧提升的程度,如果集合成员预报误差之间相关较小、则更多的成员对提高预报技巧是有益的[48]。目前,集合预报已经成为天气预报领域的主导工具,除了确定性预报,其所提供的概率性信息为极端天气事件预报提供了重要依据。

4 基于集合概率信息的极端天气预报

4.1 数值模式集合的极端天气预报

目前,极端天气预报的主流方法是基于数值模式集合预报。Tracton等[49]利用NCEP短期集合预报系统,对2000年7月25日发生在美国北卡罗来纳州的一次暴风雪极端天气进行模拟研究,结果显示大多数集合预报成员能成功预报此次暴雪。Sobash等[50]利用邻域法将确定性对流模式预报结果转换为极端天气概率预报产品,提高了模式对极端天气的预报能力。我国在这方面的研究相对较少。陈朝平等[51]基于贝叶斯理论,利用四川147个站点暴雨的气候概率订正暴雨集合概率预报产品,在一定程度上消除了暴雨空报。李芳[52]集合了4种不同模式方案生成1960—2005年我国东部地区夏季降水概率密度函数(Probability Density Function,PDF)预测,结果表明最优集合方案的PDF预测产品具有较高的校准度,且其锐度高于或接近气候学预测。李俊等[53]对北京2012年7月21日的极端降水事件组织了一系列中尺度(水平格点间隔为9 km)的集合预报。在所有的集合预报之中,利用了初始扰动、多物理模型、多初始值和边界条件的预报给出了最优的预报,并且对降水的强度和降水落区的预报准确度远远高于单一的确定性预报。当然,这些工作大都是针对极端天气要素场的个例分析和预报研究。

4.2 利用指数对极端信息进行提取

在对各预报要素(温度和降水等)的数值预报质量以及集合预报系统不断改进的情况下,预报员们希望能对极端天气发出早期的预警信号。然而,通过直接比较当地气象要素观测和模式直接预报之间的差别来实现是很难的[54]。因此发展了一种从概率预报系统(集合预报系统)提取异常预报分布的方法。其实,利用极端气候指数研究极端事件在国外已经得到广泛应用。例如Jones等[55]采用极端气候指数模拟爱尔兰和全球极端气候事件的变化。此后,Klein等[56]则研究了欧洲日极端温度和降水的变化趋势;Ziv等[57]对比评估了MKI和RDI 2个极端天气的数值预警指数,RDI对暴雨和山洪暴发有较高的预报效果;Chervenkov等[58]利用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)研究了巴尔干半岛1次主要极端干旱事件和4次次要事件。

在很多天气条件下,人们不仅想要知道集合预报系统分布是否和气候态有很大的差异,同时也想了解这个差异的方向是否对人们的日常生活有影响。比如,研究风的极端低值、夏季的极端低温和冬季的极端高温的意义是不大的。这就需要一个有正负号的极端指数。对于一个给定的地点和时间,可以计算某一气象要素的气候态。计算该气象要素气候态的方法为对该气象要素的同一地点和每年同一时间的样本进行排序,对每一个概率p给定一个与之相对应的百分位数,得到的阈值则为该气象要素在该点的气候态,其中当p=0时该对应的百分位数为最小值,p=1/2时对应的百分位数为中间值。Lalaurette[59]基于ECMWF集合预报发展了一种极端天气预报方法——极端预报指数(Extreme Forecast Index, EFI)。这是一个测量某一预报要素的集合预报累积概率分布函数和模式气候态之间连续差异的指数,也是一个能累计气候态分布和预报分布差异的指数。只有当气候记录中低于某一阈值的概率和集合预报中低于该阈值的概率相等,EFI才等于零;而当集合预报中低于某一阈值的概率高于气候态中低于该阈值的概率,则EFI为负数,反之为正数。在许多地区的观测研究结果表明,总降水量的变化在尾端被放大,包括在极端温度中也有体现[8,60]。鉴于无法考虑极端事件在尾端被放大的事实,Lalaurette[61]为EFI指数的定义增加了一个权重系数,从而可增强对极端事件预报的敏感度。

4.3 EFI在极端天气预报中的应用

国内外已经有不少学者利用EFI对极端天气(如极端降水和极端温度)进行研究。夏凡等[62]建立了适合T213集合预报模式的EFI,并利用该指数对2008年1月极端低温事件进行预报和评估试验,结果表明EFI对极端低温事件的预报存在正的识别技巧。吴剑坤等[18]基于T213集合预报建立了极端温度指数的数学模型,并利用该指数确定了发布极端温度预警信号的阈值。Lavers等[63]发现,在北大西洋振荡(North Atlantic Oscillation,NAO)正位相的初始化预报中,积分水汽输送(Integrated Vapor Transport,IVT) EFI比降水EFI更能捕获预测第2周的极端降水;相反,降水EFI在NAO负位相较好。但对于季节时间尺度预测(最大预报时效为6个月),可比较的极端指标尚未得到应用,“极端”的检测方法仍主要集中在超过百分位数的概率上。近年利用EFI的预报研究发展较快。Dutra等[64]表明,EFI提供了一种综合的方法来衡量一个特定的季节预测集合和潜在的模型气候之间的差异,它可以作为一个早期预警指标。Guan等[65]研究显示EFI适用于2013/2014年冬季的极端低温和极端降水预报。Lavers等[66]通过对2015/2016年并和2016/2017年冬季的极端降水的预测分析表明,提前2周的极端降水预报中IVT EFI指数比降水EFI更有技巧,而在较短的预报时效中,后者预报技巧则比较高。根据前人的研究,EFI对极端天气事件的预报有一定的指示作用,特别是对于极端温度事件。但如何确定极端天气的阈值、如何有效利用EFI进行中期—延伸期极端天气的预报仍是一个非常值得研究的重要课题。

国际上各主要业务预报中心陆续开展了极端天气预报业务,前面提到的各种方法被不同程度地用在业务上识别极端天气事件[65]。通过测量预报概率分布与模式气候分布的差异性而计算得到的EFI,目前已被陆续运用到各主要业务中心的极端天气预报业务中,包括对极端高温和低温、极端大风、极端降水等的预报。例如,ECMWF、NCEP、加拿大气象中心以及中国气象局国家气象中心等,均依托于各自的集合预报系统提供的集合概率预报数据信息,定期制作和实时发布主要变量的EFI产品。尽管目前对于极端天气预报的检验方法还有待发展和完善[66],但极端天气的预报准确率普遍偏低,这固然是由于其自身发生的概率较小、难以把握发生规律,更重要的是当前模式的集合概率预报还存在可观的误差,如何对其进行订正将是改进极端天气预报的一个重要科学问题。

5 集合概率预报订正与改进极端天气预报

极端天气预报的准确率依赖于集合概率预报的水平,很明显前者准确率的改进离不开对后者预报水平的提高。数值预报的误差按照随机性分类一般可以划分为系统性误差和非系统误差:系统性误差来自模式本身,如模式模拟实际大气的能力、网格分辨率以及有限差分格式等造成的误差;非系统误差(如随机误差)是模式以外的原因造成的,如观测误差、初始化误差等,显然后者是集合预报所要处理的对象[4]。由于这2类误差的存在,造成集合预报PDF与真实大气运动状态的数学期望和方差不一致,即两者数学期望的不同,集合离散度不能代表实际大气运动的不确定性特征。由于集合概率预报还存在偏差,这在进行极端天气预报时会对预报准确率产生较大影响。为此,改进极端天气预报需要首先对集合预报进行有针对性的订正,进而利用技巧提升的集合信息进行极端天气预报。

对于确定性预报,早期的MOS(Model Output Statistics)方法[67]通过建立数值模式预报变量和极端预报量的统计关系处理预报结果,较好地订正了近地面变量的确定性预报,改善了预报效果。在确定性预报误差订正基础上,Roulston等[68]利用Dressing方法通过对集合成员分别加入相互独立的随机扰动以去除季节平均误差和调整集合离散度过小的情况。Gneiting等[69]根据非齐次高斯多元线性回归发展的EMOS方法较好地改进了集合预报PDF特征,使得集合PDF更接近高斯分布。任宏利等[70~72]依据大气相似性原理在数值预报模式基础上充分利用历史资料中的相似信息,发展了统计与动力相结合的相似误差订正(Analogue Correction model Errors,ACE)方法,在月季气候预测中应用效果显著。Gao等[73]将相似误差订正方法应用到数值天气预报中。Yu等[74]在此基础上进一步发展了一种相似—动力方法来改进中期天气预报。此外,Bakhshaii等[75]利用多种集合成员的线性或非线性组合的集合平均,提出了订正集合预报的GEP方法。Satterfield等[76]在异方差集合后处理方法中将气候先验信息与集合预报信息相混合,以改善由集合成员数较少、模式误差和集合扰动构造方案等的不合理所引起的误差方差。马旭林等[77]利用基于KF递减平均算法对集合预报进行综合偏差订正,能够使集合平均和离散度均得到改善。

以往预报员通过大脑记忆来累积预报经验和历史上典型的天气过程,在预报实践中与记忆中的相似天气过程进行类比以帮助。如今随着计算机的发展,可以通过计算机客观记忆大量的天气过程,利用描述相似的数学统计量,定量表达2个天气形势的相似程度,使相似预报更客观具体。相似方法(Analog Method, AM)已被广泛应用于天气预报[78,79,80]和季节预测[81]。Lorenz[80]使用AM研究了大气的逐日天气可预报性,但由于历史资料较少,所取得的结果并不理想。Livezey等[82]比较了在美国和前苏联[83]开发的相似预报系统,旨在改进美国的温度季节预测。当然,AM的成功应用需要大量的观测记录,并取决于所考虑地区的范围和复杂程度。Hamill等[20]提出了运用数值模式中的相似信息来改进集合预报概率结果的新方法,可有效提升降水集合概率预报技巧。因此,运用基于相似等统计方法可实现对集合预报的概率订正,在此基础上使用订正的集合预报信息就能够改进对极端天气事件的预报效果。

近些年来,人工智能技术(Artificial Intelligence,AI)、大数据分析技术等新方法和新技术在气象领域逐渐受到了广泛关注。美国Neural Ware公司早在1987年就开发了人工神经网络晴雨预报系统,美国气象部门于1993年开发了综合终端气象服务系统(Integrated Terminal Weather Service,ITWS)。加拿大环境局也于1993年开发了高级交互式处理系统(Forecast Production Asistant,FPA)。美国Earth Risk在2015年在TempRisk Apollo模式中引进了NCEP和ECMWF的数值预报结果,提供了更加综合的预报。对于机器学习的应用研究近年来在国内也有广泛开展。沈文海[84]将国内AI在天气预报的应用分为2类:第一类是以专家系统和神经网络为代表的AI实际应用(1980—1990年),这基于经典天气学理论,主要是应用神经网络建立预报模型[85,86,87,88,89];第二类是纯粹以机器学习和系统智能外推为主的实际应用(2010年以来),这和经典气象学理论没有直接关联,尤以“彩云天气”为代表,根据气象实况资料的深度学习,1 h内降水短临预报的准确率达到90%,由此可见天气短临预报的AI方法已然脱离了天气过程的物理基础。即便如此,上述依赖于大样本数据信息的热门技术是否对于小样本的极端事件预报依然有效,目前还没有答案,但这无疑是一个有待探索的新话题。

6 总结与展望

为了更好地发展极端天气预报以满足国家和社会日益增长的巨大需求,本文系统地回顾了极端天气预报的主要方法、集合预报发展现状和在极端天气预报中的应用情况以及集合概率预报的订正研究进展。综合来看,极端天气的预报研究还处于亟待发展的阶段,以数值模式集合概率预报信息为主要依据的动力方法依然是国际上极端天气业务预报的主流方法,因此围绕数值模式集合预报的极端预报应用以及依靠概率预报订正来改进极端预报的研究思路,是当前极端天气预报研究的主要方向。当然,目前对于极端天气的业务预报能力仍很有限,而且短期天气预报已愈发难以满足日益增长的公众需求,有待进一步开展面向更长时效的中期-延伸期极端天气的预报研究和应用。

通过回顾,本文对极端天气的数值模式集合预报发展提出如下几点建议:

首先,亟待加强对特定关注区域中极端天气的客观识别研究,当前业务上大多是针对单站序列来判别极端性,那么极端天气的时空分布特征应进一步加以研究,同时需要考察极端天气对应的环流特征以及可能成因。

其次,系统性地开展对当前数值模式集合中极端天气的预报能力的检验评估,这不单要评估数值模式对天气极端性的实际预报能力,同时也要进一步分析模式集合系统对于极端天气预报误差的特征以及问题所在。

第三,开展针对特定关注区域极端天气的基于模式集合的可预报性研究,这里的集合可以是传统的多初值集合,也可以拓展到多模式多初值的超级集合,并且需要结合着理论和统计可预报性开展综合分析。

第四,需要发展适用于极端天气预报的集合概率预报新方法和新技术,试图克服当前模式预报系统普遍存在的集合扰动不足的困难,通过发展概率预报订正技术改进集合概率分布预报的效果,并采用实际个例试验来进行验证。

综上所述,通过对上述诸方面的研究进步,希望能够进一步增加对我国极端天气特征和机制的理解、提升极端天气可预报性认知水平、从而为改进极端天气预报方法乃至推动极端预报产品信息的进一步实际应用提供参考。例如,当前ECMWF已经将EFI预报用于构建山洪暴发的预报,相关领域的研发大有可为。另外,我们可以看到,除了集合预报方法以及概率预报订正对于极端天气预报至关重要,当前数值预报模式的发展、资料同化技术的进步、极端天气物理机制的理解等对于极端天气预报水平的提高也非常重要。这些方面的发展层次决定了当前国内外极端天气的数值模式预报水平,有待于进一步开展相关研究。

参考文献

ZhaiPanmao, LiuJing.

Extreme weather/climate events and disaster prevention and mitigation under global warming background

[J]. Engineering Sciences, 2012, 14(9): 55-63.

[本文引用: 1]

PalmerT N, BrankovicC, RichardsonD S.

A probability and decision-model analysis of PROVOST seasonal multi-model ensemble integrations

[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2000, 1262 013-2 034.

RichardsonD S.

Skill and relative economic value of the ECMWF ensemble prediction system

[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2000, 126649-668.

DuJun.

Present situation and prospects of ensemble numerical prediction

[J]. Quarterly Journal of Applied Meteorlolgy, 2002, 13(1): 16-28.

[本文引用: 1]

杜钧.

集合预报的现状和前景

[J]. 应用气象学报, 2002, 13(1): 16-28.

[本文引用: 1]

HuangfuXueguan.

The verification for ensemble prediction system of national meteorlogical center

[J]. Quarterly Journal of Applied Meteorlolgy, 2002,13(1): 29-36.

皇甫雪官.

国家气象中心集合数值预报检验评价

[J]. 应用气象学报, 2002, 13(1): 29-36.

PengYong, WangPing, XuWei, et al.

Review of weather ensemble prediction

[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology, 2012, 10(4): 90-97.

彭勇, 王萍, 徐炜, .

气象集合预报的研究进展

[J]. 南水北调与水利科技, 2012,10 (4) : 90-97.

Van den DoolH M, TothZ.

Why do forecasts for "near normal" often fail?

[J]. Weather and Forecasting, 1991, 6:76-85.

[本文引用: 1]

EasterlingD R, MeehlG A, ParmesanC, et al.

Climate extremes: Observations, modeling and impacts

[J]. Science, 2000, 289(5 487): 2 068-2 074.

[本文引用: 2]

RenFumin, GaoHui, LiuLüliu, et al.

Research progresses on extreme weather and climate events and their operational applications in climate monitoring and prediction

[J]. Meteorological Monthly, 2014, 40(7): 860-874.

任福民高辉刘绿柳.

极端天气气候事件监测与预测研究进展及其应用综述

[J]. 气象,2014, 40(7):860-874.

GaoLi, RenHongli, ZhengJiawen, et al.

Diagnosis features of extreme temperature variations in China based on the NCEP-GEFS reforecasts

[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2019, 42(1):58-67.

高丽任宏利郑嘉雯.

基于NCEP-GEFS回算资料的我国极端温度变化特征研究

[J]. 大气科学学报,201942(1):58-67.

YangQiuming.

A study of the extended-range forecast for the low frequency temperature and high temperature weather over the lower reaches of Yangtze River Valley in summer

[J]. Advances in Earth Science201833(4): 385-395.

杨秋明.

长江下游夏季低频温度和高温天气的延伸期预报研究

[J].地球科学进展,201833(4): 385-395

DongHuiqing, XuFangxu, LiXiong.

The climatic features and short-term forecast of megatherm weather in Guangxi

[J]. Journal of Guangxi Meteorology, 2000,

21(Suppl

.):50-54.

董慧青, 徐方旭, 李雄.

广西高温天气的气候特征及短期气候预测

[J]. 广西气象, 2000,

21(增刊): 50-54

.

ZhangShangyin, WangShourong, ZhangYongshan, et al.

The climatic character of high temperature and the prediction in the large cities of east of China

[J]. Journal of Tropical Meteorology , 2004, 24(6): 750-760.

张尚印, 王守荣, 张永山, .

我国东部主要城市夏季高温气候特征及预测

[J]. 热带气象学报, 2004, 24(6): 750-760.

ZhangShangyin, ZhangDekuan, XuXiangde, et al.

Study on the mechanism and forecasting method of high temperature disaster in summer in the large cities of the Yangtze River Basin

[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 2005, 28(6): 840-846.

张尚印, 张德宽, 徐祥德, .

长江中下游夏季高温灾害机理及预测

[J]. 南京气象学报, 2005, 28(6): 840-846.

ZhouHoufu, WangXingrong, ZhaiWuquan, et al.

Test prediction for multi-regression model on high temperature days

[J]. Scientia Meteorologica Sinica, 2005,25(5): 505-512.

周后福, 王兴荣, 翟武全, .

基于混合回归模型的夏季高温日数预测

[J]. 气象科学, 2005, 25(5):505-512.

LiuLüliu, SunLinhai, LiaoYaoming, et al.

Development and application of national prediction system for extreme high temperature

[J]. Meteorological Monthly, 2008, 4(10): 102-107.

[本文引用: 3]

刘绿柳, 孙林海, 廖要明, .

国家级极端高温短期气候预测系统的研制及应用

[J]. 气象, 2008, 4(10): 102-107.

[本文引用: 3]

WhelerMHendonH H.

An al-season real-time multivariate MJO index: Development of an index for monitoring and prediction

[J]. Monthly Weather Review, 2004,132:1 917-1 932.

[本文引用: 1]

WuJiankun, GaoLi, QiaoLin, et al.

Research on Chinese extreme temperature forecasting method based on T213 ensemble forecast

[J]. Journal of Meteorological Sciences, 2015, 35(4): 438-444.

[本文引用: 2]

吴剑坤, 高丽, 乔林, .

基于T213集合预报的中国极端温度预报方法研究

[J]. 气象科学, 2015, 35(4): 438-444.

[本文引用: 2]

ZhangJiawen, GaoLi, RenHongli, et al.

Verification of China extreme temperature forecasts in 2016 based on T639 Ensemble forecast

[J]. Meteorological Monthly, 2019, 45(4): 469-482.

[本文引用: 1]

郑嘉雯,高丽,任宏利,.

基于T639集合预报的我国2016年极端温度预报检验

[J].气象,2019, 45(4):469-482.

[本文引用: 1]

HamillT M, WhitakerJ S.

Probabilistic quantitative precipitation forecasts based on reforecast analogs: Theory and application Mon

[J]. Monthly Weather Review, 2006, 134: 3 209-3 229.

[本文引用: 2]

EpsteinE S.

Stochastic dynamic prediction

[J]. Tellus, 1969, 21: 739-759.

[本文引用: 1]

LeithC E.

Theoretical skill of Monte Carlo forecasts

[J]. Monthly Weather Review, 1974, 102:409-418.

[本文引用: 2]

KrishnamurtiT, KrishtawalN C M, ZhangZ, et al.

Multimodel ensemble forecasts for weather and seasonal climate

[J]. Journal of Climate, 2000, 13(23): 4 196-4 216.

[本文引用: 1]

VrugtJ A, ClarkM P, DiksC G H, et al.

Robinson, multi-objective calibration of forecast ensembles using Bayesian model averaging

[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(19): L19817.

[本文引用: 1]

YuanHuiling, GaoX G, MullenS L, et al.

Calibration of probabilistic quantitative precipitation forecasts with an artificial neural network

[J]. Weather and Forecasting, 2007, 22: 1 287-1 303.

[本文引用: 1]

HamillT M, HagedornR, WhitakerJ S.

Probabilistic forecast calibration using ECMWF and GFS ensemble reforecasts. Part II: Precipitation

[J]. Monthly Weather Review, 2008, 136: 2 620-2 632.

[本文引用: 1]

BohnT J, SonessaM Y, LettenmaierD P.

Seasonal hydrologic forecasting: Do multimodel ensemble averages always yield improvements in forecast skill?

[J]. Journal of Hydrometeorology, 2010, 11(6):1 358-1 372.

[本文引用: 1]

NajafiM R, MoradkhaniH.

Ensemble combination of seasonal streamflow forecasts

[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2016, 21(1): 04015043.

[本文引用: 1]

AbramowitzG, GuptaH.

Towards a model space and independence metric

[J]. Geophysical Research Letters, 2008, 35(5): L05705.

[本文引用: 1]

PalmerT N, RäisänenJ.

Quantifying the risk of extreme seasonal precipitation in a changing climate

[J]. Nature, 2002, 4156 871):512-514.

[本文引用: 1]

PennellC, ReichlerT.

On the effective number of climate models

[J]. Journal of Climate, 2011, 24(9): 2 358-2 367.

[本文引用: 1]

HoffmanR N, KalnayE.

Lagged average forecasting, an alternative to Monte Carlo forecasting

[J]. Tellus, 1983, 35A(2): 100-118.

[本文引用: 1]

MureauR, MolteniF, PalmerT N.

Ensemble prediction using dynamically conditioned perturbations

[J]. Quarterly Houranl of the Royal Mateorological Society, 1993, 119(510): 229-323.

[本文引用: 1]

KalnayE, TothZ.

Efficient selection of Monte Carlo forecast ensemble members[M]// Research Highlights of the NMC Development Division: 1990-1991

Washington DC:NMC,1991:157-159.

[本文引用: 1]

TothZ, KalnayE.

Ensemble forecasting at NMC: The generation of perturbations

[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1993, 74:2 317-2 330.

[本文引用: 1]

TothZ, KalnayE.

Ensemble forecasting at NCEP and the Breeding Method

[J]. Monthly Weather Review,1997, 125(12):3 297-3 319.

[本文引用: 1]

GuanJiping, ZhangLifeng, ZhangMing.

Review of the ensemble forecast

[J]. Scientia Meteorologica Sinica, 2006, 26(2): 228-235.

[本文引用: 2]

关吉平, 张立凤, 张铭.

集合预报研究现状与展望

[J]. 气象科学, 2006, 26(2): 228-235.

[本文引用: 2]

EvensenG.

Sequential data assimilation with a nonlinear quasi-geostrophic model using Monte Carlo methods to forecast error statistics

[J]. Journal of Geophysical Research, 1994, 99(C5): 10 143-10 162.

[本文引用: 1]

BishopC H, TothZ.

Ensemble transform and adaptive observations

[J]. Journal of the Atmospheric Sciences,1999, 56(11): 1 748-1 765.

BishopC H, EthertonB J, MajumdarS J.

Adaptive sampling with the ensemble transform Kalman filter. Part Ι: Theoretical aspects

[J]. Monthly Weather Review, 2001, 129(3): 420-436.

ChangMinghengBaiYulongMaXiaoyanet al.

Localization analysis of data assimilation methods coupled with fuzzy control algo- rithms

[J]. Advances in Earth Science201833(8): 874-883.

常明恒摆玉龙马小艳.

一种新的耦合模糊控制局地化的同化方法

[J].地球科学进展,201833(8): 874-883

WangX G, BishopC H.

A comparison between KTKF and breeding ensemble forecast schemes

[J]. Journal of the Atmospheric Sciences,2003, 60(9): 1 140-1 158.

[本文引用: 1]

LongKeji,ChenJing,MaXulin, et al.

The Preliminary study on ensemble prediction of GRAPES-meso based on ETKF

[J]. Journal of Chengdu University of Information Technology, 2011, 26(1): 37-46.

[本文引用: 1]

龙柯吉陈静马旭林, .

基于集合卡尔曼变换的区域集合预报初步研究

[J]. 成都信息工程学院学报,201126(1): 37-46.

[本文引用: 1]

MaXulin, YuYueming, JiangSheng, et al.

Optimization and influence experiment to identify sensitive areas for target observations on ETKF method

[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2014,37(6): 749-757.

[本文引用: 1]

马旭林于月明姜胜.

基于集合卡尔曼变换的目标观测敏感区识别系统优化及影响试验

[J]. 大气科学学报,201437(6): 749-757.

[本文引用: 1]

ZhiXiefei, SunJing, ZhouWenyou.

Ensemble and multimodel ensemble forecasts of western Pacific typhoons during summer 2009

[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2015, 38(5): 633-640.

[本文引用: 1]

智协飞孙晶周文友.

2009年夏季西太平洋台风的集合预报和多模式集成预报试验

[J]. 大气科学学报,201538(5): 633-640.

[本文引用: 1]

MuMu, JiangZhina.

A new approach to the generation of initial perturbations for ensemble prediction: Conditional nonlinear optimal perturbation

[J]. Chinese Science Bulletin, 2008,53(13): 2 062-2 068.

[本文引用: 1]

穆穆, 姜智娜.

集合预报初始扰动产生的一个新方法: 条件非线性最优扰动

[J]. 科学通报,2007, 52(12): 1 457-1 465. DOI:10.1360/csb2007-52-12-1457.

[本文引用: 1]

HouZhaolu, LiJianping, DingRuiqiang, et al.

The application of nonlinear local Lyapunov vectors to the Zebiak-Cane model and their performance in ensemble prediction

[J]. Climate Dynamics, 2018, 51(1/2): 283-304.

[本文引用: 1]

LiS, WangY, YuanH,et al.

Ensemble mean forecast skill and applications with the T213 Ensemble Prediction System

[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2016, 33: 1 297-1 305.

[本文引用: 1]

TractonM S, DuJ.

Application of the NCEP/EMC Short Range Ensemble Forecast system (SREF) to predicting extreme precipitation events

[C]// The 81st AMS Annual Meeting. American Meteorological Society, Albuquerque, NM, 2001, 25: 64-70.

[本文引用: 1]

SobashR A, KainJ S, BrightD R, et al.

Probabilistic forecast guidance for severe thunderstorms based on the identification of extreme phenomena in convection-allowing model forecasts

[J]. Weather & Forecasting,2011,5(26):714-728.

[本文引用: 1]

ChenChaoping, FengHanzhong, ChenJing.

Application of Sichuan heavy rainfall ensemble prediction probability products based on Bayesian method

[J]. Meteorological Monthly, 2010, 36(5): 22-39.

[本文引用: 1]

陈朝平, 冯汉中, 陈静.

基于贝叶斯方法的四川暴雨集合概率预报产品释用

[J]. 气象, 2010, 36(5): 22-39.

[本文引用: 1]

LiFang.

Probabilistic seasonal prediction of summer rainfall over East China based on multi-model ensemble schemes

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2012, 70(2): 183-191.

[本文引用: 1]

李芳.

基于多模式集合方案的中国东部夏季降水概率季度预测

[J]. 气象学报, 2012,70(2):183-191.

[本文引用: 1]

LiJun, DuJun, LiuYu.

A comparison of initial condition-,multi-physics-and stochastic physics-based ensembles in predicting Beijing “7·21” excessive storm rain event

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2015, 73(1): 50-71.

[本文引用: 1]

李俊, 杜钧, 刘羽.

北京“7·21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

[J]. 气象学报, 2015, 73(1): 50-71.

[本文引用: 1]

GhelliA, LalauretteF.

Verifying precipitation forecasts using upscaled observations

[J]. ECMWF Newsletter, 2000, 87: 9-17.

[本文引用: 1]

JonesP D, HortonE B, FollandC K, et al.

The use of indices to identify changes in climate extremes

[J]. Climatic Change, 1999, 42(1): 131-149.

[本文引用: 1]

KleinA M G, KonnenG P.

Trends in indices of daily temperature and precipitation extremes in Europe

[J]. Climate, 2003, 16(22): 3 665-3 680.

[本文引用: 1]

ZivB, HaratsN, MorinE, et al.

Can severe rain events over the Mediterranean region be detected through simple numerical indices?

[J]. Natural Hazards, 2016, 83: 1 197-1 212.

[本文引用: 1]

ChervenkovH, IvanT,KirilS.

Drought events assessment and trend estimation—Results from the analysis of long-term time series of the standardized precipitation index

[J]. Comptes Rendus de l’Académie Bulgare des Sciences, 2016, 69(8): 983-994.

[本文引用: 1]

LalauretteF.

Early detection of abnormal weather conditions using a probabilistic extreme forecast index

[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2003, 129(594): 3 037-3 057.

[本文引用: 1]

YangPing, LiuWeidong, WangQiguang, et al.

The climatic change trend and seasonal characteristics of daily temperature extremes in China for the latest 40 years

[J]. Journal of Applied Meteorological Science2010, 21(1): 29-36.

[本文引用: 1]

杨萍, 刘伟东, 王启光, .

近40年我国极端温度变化趋势和季节特征

[J]. 应用气象学报, 2010, 21(1): 29-36.

[本文引用: 1]

LalauretteF.

Two Proposals to Enhance the EFI Response Near the Tails of the Climate Distribution

[EB/OL]. 2003. [2018-06-20]. American Meteor Society,.

[本文引用: 1]

XiaFan, ChenJing.

The research of extreme forecast index based on the T213 Ensemble Forecast and the experiment in predicting temperature

[J]. Meteorological Monthly, 2012, 38(12): 1 492-1 501.

[本文引用: 1]

夏凡, 陈静.

基于T213集合预报的极端天气预报指数及温度预报应用试验

[J]. 气象, 2012, 38(12) :1 492-1 501.

[本文引用: 1]

LaversD A, PappenbergerF, RichardsonD S, et al.

ECMWF Extreme Forecast Index for water vapor transport: A forecast tool for atmospheric rivers and extreme precipitation

[J]. Weather & Forecasting, 2017, 32(4): 11 852-11 858.

[本文引用: 1]

DutraE, DiamantakisM, TsonevskyI, et al.

The extreme forecast index at the seasonal scale

[J]. Atmospheric Science Letters, 2013, 14(4): 256-262.

[本文引用: 1]

GuanHong, ZhuYuejian.

Development of verification methodology for extreme weather forecasts

[J]. Weather and Forecasting, 2017, 32(2): 479-491.

[本文引用: 2]

LaversD A, ZsoterE, RichardsonD S, et al.

An assessment of the ECMWF extreme forecast index for water vapor transport during Boreal winter

[J]. Weather and Forecasting, 2017, 32(4): 1 667-1 674.

[本文引用: 2]

GlahnH R, LowryD A.

The use of Model Output Statistics (MOS) in objective weather forecasting

[J]. Journal of applied meteorology, 1972, 11(8): 1 203-1 211.

[本文引用: 1]

RoulstonM S, SmithL A.

Combining dynamical and statistical ensembles

[J]. Tellus, 2003,55A:16-30.

[本文引用: 1]

GneitingT, BalabdaouiF, RafteryA E.

Probabilistic forecasts, calibration and sharpness

[J]. Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Statistical Methodology), 2007, 69(2): 243-268.

[本文引用: 1]

RenHongli, JifanChou.

Analogue correction method of errors by combining both statistical and dynamical methods together

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2005, 63(6): 988-993.

任宏利, 丑纪范.

统计—动力相结合的相似误差订正法

[J]. 气象学报, 2005, 63(6): 988-993.

RenHongli, JifanChou.

Study progress in prediction strategy and methodology on numerical model

[J]. Advances in Earth Science, 2007, 22(4): 376-385.

任宏利丑纪范.

数值模式的预报策略和方法研究进展

[J]. 地球科学进展,200722(4): 376-385.

RenHongli, JifanChou.

Strategy and methodology of dynamical analogue prediction

[J]. Science in China(Series D), 2007, 37(8): 1 101-1 109.

任宏利, 丑纪范.

动力相似预报的策略和方法研究

[J]. 中国科学: D缉, 2007, 37(8): 1 101-1 109.

GaoLi, RenHongli, LiJianping,et al.

Analogue correction method of errors and its application to numerical weather prediction

[J]. Chinese Physics, 2006, 15(4): 882-889.

[本文引用: 1]

YuHaipeng, HuangJianping, JifanChou.

Improvement of medium-range forecasts using the analog-dynamical method

[J]. Monthly Weather Review, 2014, 142(4): 1 570-1 587.

[本文引用: 1]

BakhshaiiA, StullR.

Deterministic ensemble forecasts using gene-expression programming

[J]. Weather and Forecasting, 2009, 24(5) :1 431-1 451.

[本文引用: 1]

SatterfieldE A, BishopC H.

Heteroscedastic Ensemble Post-Processing

[J]. Monthly Weather Review, 2014, 142: 3 484-3 502.

[本文引用: 1]

MaXulin, ShiYang, HeJie, et al.

The combined descending averaging bias correction based on the Kalman filter for ensemble forecast

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2015, 73(5): 952-964.

[本文引用: 1]

马旭林, 时洋, 和杰, .

基于卡尔曼滤波递减平均算法的集合预报综合偏差订正

[J]. 气象学报, 2015, 73(5): 952-964.

[本文引用: 1]

BaurF.

Extended-Range weather forecasting

[M]//Malone T F, eds. Compendium of Meteorology. Boston, MA: American Meteorological Society, 1951.

[本文引用: 1]

BaurF.

Extended-range forecasting by weather types

[M]// Compendium of Meteorology. Boston: American Meteor Society, 1951:814-833.

[本文引用: 1]

LorenzE N.

Atmospheric predictability as revealed by naturally occurring analogues

[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1969, 26(4): 636-646.

[本文引用: 2]

ZoritaE, HughesJ P, LettemaierD P, et al.

Stochastic characterization of regional circulation patterns for climate model diagnosis and estimation of local precipitation

[J]. Journal of Climate, 1995, 8(5): 1 023-1 042.

[本文引用: 1]

LivezeyR E, BarnstonA G.

An operational multifield analog/antianalog prediction system for United States seasonal temperatures: 1. System design and winter experiments

[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1988, 93(D9): 10 953-10 974.

[本文引用: 1]

GruzaG V, Ran’kovaE Y, Monitoring and probability forecast of monthly and seasonal variations in hemisphere atmospherical processes[C]//Proceedings of First WMO Workshop on the Diagnosis and Prediction of Monthly and Seasonal Atmospheric Variations over the Globe, vol II of Long-Range Forecasting WMO/TD 87. College Park, United States,1986.

[本文引用: 1]

ShenWenhai.

Meteorological Informationization and Management Under the Cloud Era

[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2017.

[本文引用: 1]

沈文海.

云时代下的气象信息化与管理

[M]. 北京: 电子工业出版社2017.

[本文引用: 1]

ZhangChengfu.

On the application of artificial neural network for weather forecast

[J]. Meteorological Monthly, 1994, 20(6): 43-47.

[本文引用: 1]

张承福.

人工神经网络在天气预报中的应用研究

[J]. 气象,199420(6): 43-47.

[本文引用: 1]

JiangTianji, YuanZengren.

Forward neural network with new activation function and the application on the weather forecast

[J]. Information and Control, 1995, 24(1): 47-51.

[本文引用: 1]

姜天戟袁曾任.

新激活函数下前馈型神经网络及其在天气预报中的应用

[J]. 信息与控制,199524(1): 47-51.

[本文引用: 1]

JinLong, KuangXueyuan, HuangHaihong, et al.

Study on the overfitting of the artificial neural network forecasting model

[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2004, 62(1): 62-70.

[本文引用: 1]

金龙况雪源黄海洪.

人工神经网络预报模型的过拟合研究

[J]. 气象学报,200462(1): 62-70.

[本文引用: 1]

WuQingjia, ZhangQingping, WanJian.

Application of ANN in weather forecast

[J]. Computer Engineering, 2005, 31(14): 176-177.

[本文引用: 1]

吴清佳张庆平万健.

遗传神经网络的智能天气预报系统

[J]. 计算机工程,200531(14): 176-177.

[本文引用: 1]

ZhouYan.

Intelligent Weather Forecast Based on Multi-model Fuzzy Neural Network

[D]. Shanghai: Fudan University, 2007.

[本文引用: 1]

周岩.

基于多模型模糊神经网络的智能天气预报

[D]. 上海:复旦大学2007.

[本文引用: 1]

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