集合预报简介
集合预报应用指导手册
集合预报应用指导手册世界气象组织，2012WMO—No.10912013年5月世界气象组织2012年8月正式发布了集合预报应用指导手册。
为推进我国集合预报业务应用发展，中国气象局预报与网络司组织国家气象中心集合预报应用团队对该指导手册进行了编译。
手册的翻译工作主要由陈良吕、陈静牵头完成，陈静、邓国对手册中文翻译稿进行了校对。
手册英文版可查阅http://www.wmo.int/pages/prog/www/Documents/1091_en.pdf。
目录1.引言 (1)2.为什么需要集合预报 (1)3 集合预报种类 (2)3.1全球集合预报系统（Global EPS） (2)3.2 区域集合预报系统（Regional EPS） (2)3.3 对流尺度集合预报（Convective-scale EPS） (3)4. 标准集合预报产品 (3)4.1 模式直接输出产品 (4)4.1.1 集合平均（Ensemble mean） (4)4.1.2 集合离散度（Ensemble spread） (4)4.1.3 天气要素概率图（Basic probability ） (4)4.1.4 分位数（Quantil es ） (5)4.1.5面条图（Spaghetti maps） (6)4.1.6邮票图（Postage stamp maps） (6)4.1.7单站集合预报(Site-specific meteograms) (7)5.集合预报系统应用建议 (7)6. 应用集合预报系统制作确定性天气预报 (8)6.1 通过确定性预报做决策 (10)7．描述可能出现的情况 (10)8．全概率预报（Full probabilistic forecast） (11)9. 后处理（Post-processing） (12)9.1 统计后处理（Statistical post-processing） (12)9.1.1 概率分布函数（probability distribution function）的一阶距偏差订正 (13)9.1.2概率分布函数的二阶距偏差订正 (14)9.2 降尺度技术（Downscaling ） (14)9.2.1 动力降尺度技术（Dynamical d ownscaling） (14)9.2.2 地形降尺度技术（Topographic d ownscaling using simple physical models） (15)9.2.3 站点数据提取（Site-specific extractions） (15)9.2.4 统计降尺度技术（Statistical d ownscaling） (15)9.2.5 高影响天气诊断方法（High-impact weather diagnostics） (16)9.2.6 结合低分辨率集合预报系统和高分辨率控制预报的降尺度技术 (16)9.3 聚类分析技术(Clustering techniques) (16)9.4 再预报方法（Use of reforecasts） (17)9.4.1 极端天气预报指数（Extreme Forecast Ind ex） (17)9.4.2 分位数匹配法（Quantile–quantile matching） (18)9.5 特征跟踪（Feature tracking） (18)10. 集合预报系统在灾害性天气预报和预警发布中的应用 (18)11. 灾害性天气影响模型 (21)12. 集合预报系统检验 (21)13. 预报员训练 (23)1.引言集合预报系统不仅给出单一的最佳可能预报，还定量地估计天气预报的不确定性。
水文集合预报研究与应用综述
水文集合预报研究与应用综述作者：徐静等来源：《南水北调与水利科技》2014年第01期摘要：相对于传统的确定性水文预报，水文集合预报包含了水文预报各个环节的不确定性信息，因此在理论上更加科学，在生产实践中也提高了对暴雨、洪水、干旱等事件的认知和预报能力，为水资源管理和防洪抗旱提供了更精确的实用信息。
水文集合预报当前研究的热点是前处理与后处理，以及如何给出业务化的预报。
在回顾水文集合预报发展历程的基础上，总结了水文集合预报处理的方法及其应用研究，重点分析了水文集合预报系统中前处理、后处理两大模块，提出了水文集合预报发展面临的问题与挑战。
关键词：水文集合预报；不确定性信息；水文集合前处理；水文集合后处理中图分类号：TV122；P338；G353.11 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2014）01-0082-06水文循环系统是一个高度的非线性系统。
水文模型是对这个复杂非线性系统进行简化并模拟的工具。
水文预报通常采用水文模型，模拟计算流量或水位预报。
传统单值水文预报主要基于实测降水和气温资料来预报洪水/干旱过程，预见期较短且未给出水文模拟的不确定性信息，而水文集合预报是一种既可以给出确定性预报值，又可以提供预报值不确定性信息的预报方法[1]。
相对于传统确定性预报，集合预报最大的不同点是给出带有概率信息的预报集合，而不是一个单值。
因此，结合气象预报信息以及概率预报优势的水文集合预报，逐渐成为水文预报研究与应用的新方向[2]。
1 水文集合预报发展历程气象预报的输出是水文预报的输入，所以水文集合预报的发展基于气象集合预报的发展。
在理论、方法及应用方面都吸收了气象集合预报的发展经验，并针对水文集合预报的特点进行了改进与发展。
水文集合预报的发展史可以归结为以下三个阶段。
（1）集合预报提出阶段。
对于集合预报的研究应追溯至1963年，Lorenz首先发现大气具有高度非线性的混沌特性，微小的初始条件扰动也会造成系统状态的极大偏差[3-4]。
地球物理科学集合预报方法国际会议简介
国家和地区组织 约 １ ３ ０位 科 学 家 参 加 了 大 会 交 流 。会 议 共 有 ９个 特 邀 报
气象科技合作动态 ２ ０ １ ３ 年 第 ３ 期
７
合方法 在 资料 同化 中 的应用 理 论 、 方 法， 以及 在 主 要 数 值 中 心 业 务 同 化 系 统 中的应 用 ； ③ 集 合 预 报 技 术 后 处 理 技术 的 发 展 ， 以 及 集 合 预 报 中模 式 误 差 的体 现 技 术 研 究 。
ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｆｏ ｒ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＥＰＳ
学研讨 平 台， 就 目前 集 合 方 法 在 资 料 同化 和 预 报 系 统 中 的 应 用 技 术 ， 以 及
一
Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ） 墙 报 报 告 。李 晓 莉 在 Ｐ ＯＳ Ｔ — Ｅ Ｒ 阶 段 交 流 了“ 中 国 气 象 局 区域 集 合
２ ０ １ ２年 ｌ １月 １ ２ —１ ６日， 中 国 气 象局 数 值 预 报 中 心 的 陈 静 和 李 晓莉 参
加 了地 球 物 理 科 学 集 合 预 报 方 法 国 际
会 议 。会 议 由 法 国气 象 局 、 世 界 气 象 组织 （ ＷＭＯ） 和 法 国 国 家 研 究 基 金 委
Ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ） 的特 邀 报告 ， 系
统 回顾 了 大 气 的 可 预 报 性 特 征 、 概 率
预 报 理 论 基 础 及 在 多 领 域 中 的 应 用
会 上陈 静 做 了 “ 中 国 气 象 局 集 合
预 报 系 统 简 介 及 其 在 季 风 季 节 的 应 用” 的 口头 报 告 ， 介 绍 了 中 国 全 球 和 区
集合预报的现状和前景
集合预报的现状和前景Ξ杜 钧ΞΞ(美国国家海洋大气局国家环境预报中心)提 要 综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法———集合预报。
随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实,这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。
未来的天气预报产品预计将从“决定论”的预报转变为“随机论”的预报来正确地表达气象科学中这一所谓“可预报性问题”,以便更好地为用户服务。
文中扼要地叙述了集合预报的概念、基本问题及其最新的研究动态和发展,包括(1)如何建立和评估一个集合预报系统;(2)如何正确地表征大气初值和模式物理过程的不确定性与随机性;(3)如何从集合预报中提炼有用的预报信息和合理地解释、检验集合预报的产品,特别是概率预报。
除了直接在天气预报上的应用,还提到集合预报在气象观测和资料同化方面应用的动态,以引起有关研究人员的注意。
关键词:集合预报 随机性 确定性 可预报性和概率预报引 言 由于大气是一个高度非线性的系统,因而数值天气预报的结果对初始条件的微小误差非常敏感[1]。
Epstein [2](1969)为解决这一问题先在理论上提出了动力随机预报。
后来,Leith [3](1974)提出了一个比较适合于实际应用的所谓“蒙特卡罗”预报(Monte Carlo forecasting )。
经典的集合预报基本上就是基于这一蒙特卡罗预报概念的。
蒙特卡罗预报在业务预报上应用的一大难点是它需要耗费大量的高速计算机的机时来完成。
由于近年来计算机技术的突飞猛进,其运行速度越来越快,这一难点已逐渐地不再成为一个主要的障碍。
所以,集合预报在2001年初已得到欧美许多发达国家气象界的高度重视。
中国国家气象中心也已开始这方面的尝试。
作者认为集合预报将会在未来的数值天气预报体系中(包括气象观测、资料同化、模式运算以及预报信息的提炼与发布等)占有举足轻重的地位,甚至可能取代目前决定论式的单一预报。
集合预报的现状和前景
集合预报的现状和前景集合预报的现状和前景一、引言集合预报是气象学中重要的预报方法之一，它通过模拟大气的不确定性，并进行多次数值模拟，得出一系列可能的预报结果。
与传统的单点预报相比，集合预报能够提供更为全面、客观的气象预报信息，对于减小预报误差、提高预报准确率具有重要意义。
二、集合预报的发展历程20世纪60年代，集合预报的概念首次被提出，但当时由于计算机硬件和模式计算手段的限制，集合预报技术并未在实践中得到广泛应用。
20世纪80年代，随着计算机技术的快速发展，集合预报技术取得了突破性进展。
随后的几十年间，各国气象机构相继开展了集合预报的研究与应用，并在预报准确率提升、灾害预警等方面取得了显著成果。
三、集合预报的基本原理集合预报的基本原理是通过数值模型对大气系统进行多次模拟，每一次模拟都加入一定的初始误差，并通过模拟结果来计算出预报结果的概率分布。
在预报过程中，通过对不同的初始场和物理参数进行模拟，可以得到不同的预报结果，以概率的形式展示给用户。
用户可以据此对不同预报结果进行综合考虑，制定出更为科学合理的决策。
四、集合预报的应用案例1. 台风路径预测集合预报在台风路径预测中具有重要应用。
传统的单点预报容易受到初始场误差的影响，预报路径不稳定。
而集合预报能够通过多次数值模拟，融合不同的初始场信息，提供多条可能的台风路径预测，增加了预报的可靠性和准确性。
2. 大气污染预测集合预报在大气污染预测中也有广泛应用。
大气污染的传播受到空气运动、气象条件等多个因素的影响，并存在不确定性。
集合预报能够通过多次模拟，模拟不同的污染传播路径，提供多种可能的污染扩散情景，为决策者提供科学依据。
3. 气候变化预测集合预报在气候变化预测中也有着广泛的应用前景。
气候系统具有很高的复杂性和不确定性，通过集合预报可以模拟不同的初始条件和物理参数，并得到不同的气候变化趋势。
这对于制定气候变化适应策略、提高农业生产效益具有重要意义。
五、集合预报面临的挑战和前景集合预报虽然在气象领域取得了许多成就，但仍面临着一些挑战。
极端天气的数值模式集合预报研究进展
极端天气的数值模式集合预报研究进展极端天气的数值模式集合预报研究进展近年来，随着全球气候变化的不断加剧，极端天气事件频频发生，给人们的生产生活带来了巨大的影响。
在面对这些极端天气事件时，提前准确地预报成为了至关重要的任务。
传统的数值天气预报模式往往会出现预报不准确的情况，这主要是因为气象系统的初始条件和气候模式参数等存在不确定性。
因此，研究者们通过发展集合预报方法来提高极端天气事件的准确预报，为灾害防范与减灾提供更加可靠的支持。
集合预报是一种通过使用多个初始条件、参数集合运行数值模式来模拟给定天气事件的方法。
在集合预报中，每个成员都通过微小的差异来模拟天气的不确定性，从而产生多个预报结果，这些结果构成了一个集合，通过统计和分析集合中的预报结果可以获得极端天气事件的发生概率。
集合预报的核心思想是利用多样性来提高预报的可信度和可靠性。
近年来，随着气象科学和计算机技术的快速发展，集合预报在极端天气事件的预报中发挥了重要的作用。
首先，通过不同的初始条件和参数设置，集合预报可以模拟更多的可能性，从而提高了天气预报的范围和准确度。
其次，通过对集合中的预报结果进行统计和分析，可以得出极端天气事件发生的概率和可能性，进而提前做出有效的应对措施。
最后，集合预报还可以帮助确定预报模型的不确定性，为进一步优化气象模型提供了参考。
从方法来看，集合预报可以分为集合同化方法和统计后处理方法两大类。
集合同化方法主要是通过将观测数据与模型结果相融合，利用观测值来修正模型初始条件和参数，从而得到更加准确的极端天气事件预报结果。
高斯集合滤波器、卡尔曼滤波器和粒子滤波器等方法都是常用的集合同化方法。
统计后处理方法则是通过对集合中的预报结果进行统计和分析，利用概率统计的方法得出极端天气事件的发生概率和可能性。
常见的统计后处理方法包括集合平均、集合中位数和集合成员排列等。
尽管集合预报在极端天气的预报中显示出了巨大的优势，但仍然存在一些问题和挑战。
NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述
精品文档供您编辑修改使用专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，希望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。
文档全文可编辑，以便您下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!同时，本团队为大家提供各种类型的经典资料，如办公资料、职场资料、生活资料、学习资料、课堂资料、阅读资料、知识资料、党建资料、教育资料、其他资料等等，想学习、参考、使用不同格式和写法的资料，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you!And, this store provides various types of classic materials for everyone, such as office materials, workplace materials, lifestylematerials, learning materials, classroom materials, reading materials, knowledge materials, party building materials, educational materials, other materials, etc. If you want to learn about different data formats and writing methods, please pay attention!NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统进步综述随着气候变化的不息加剧和对气象猜测精度的不息提升需求，全球集合预报业务系统（Ensemble Prediction System，简称EPS）逐渐受到关注。
金荣花-集合预报方法研究进展
误差，集合预报才会有明显的效果。好的模式包括两方面：一方面要求模式分辨率要高。然而 由于计算机资源的限制，只能施用计算机容量所能承受的最高分辨率模式。另一方面是模式的 物理过程。即将模式内物理参数调整到最佳状态，将有助于集合预报质量提高。
辨率，而不是大量地增加成员数目。”。
３．４产品制作
集合预报产品制作的关键问题在于：如何将如此大量的集合预报产品信息浓缩，以简捷、 有效的形式给预报员提供大气未来发展的有用信息。与早期单一的时间平均场相比，目前集台 预报的产品的种类有了很大的发展，大概有以下种类：
（１）单个预报。把所有集台预报成员和控制预报的结果依次排列缩放在一张大图上（邮票 图），把多种可能的天气形势变化趋势提供给预报员，预报员结合自己的主观经验进行综合判 断。同时，若其中出现异常的个倒，则提供了值得注意和进一步研究的问题。这无疑对实际业 务服务是有益的。当然，单个预报提供的信息量太大和过于细致，使预报员主观分析的效率降 低，为此，进一步开发了下面介绍的几类产品。
另外，ＮＣＥＰ最近进行了“多模式集合预报”试验。即同时使用两个或多个模式，每个模式 都有各自的集合预报系统，将这几套集合预报加在一起成为总集合预报。初步结果表明．多模 式集合预报比单模式集合预报更准确、更有用。
３．３集合样本数 理论上，当集台预报样本数趋于无穷时．集合平均所做出的预报最佳。然而实际情况中集
预报使用。该系统是一个由多个中尺度模式组成的、使用孵化法产生初值扰动、有１０个左右成 员、覆盖整个美国太陆的短期预报（ｏ～７２小时）系统。
集合预报以概率形式发布产品，符合天气预报未来发展趋势。气象界对大气演变和天气预 报的不确定性认识的发展，单一的确定性预报最终会被动力随机（概率）预报所代替。因此，集 合预报作为数值预报未来发展方向将不断发展和显示其实用价值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
天气事件发生概率：集合预报可方便地确定某一天 气现象发生的概率。
对极端事件的预报能力：增加了对极端事件的预报 能力。
全球500hPa距平相关系数：ECMWF集合预报平均（绿）、业务模式 TL 511（红）、控制预报TL 255（蓝）和UK碧 中国气象局成都高原气象研究所
本PPT素材主要源自俞小鼎、陈静、邓国、 田华等人的工作
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
1 集合预报的基本概念
5 DAY FORECAST
ECMWF模式 ： 2009年5月11日20点预报5月16日20点500hpa高度场
Spatial graphs: Mean and spread
单点图形
特征路径 (如：台风)
邮票图
同时展示针对给定的变量和预报时效的，所 有集合成员的预报结果。
优点：所有成员结果都可看到。 缺点：太多的信息。
Spatial graphs: Postage stamps
分类图
把预报分类。相似预报归为一组。（根据场 的相关或均方根差等）
用来了解预报的变化情况，不是用来挑选最 好的方案。
(2) 滞后平均法(LAF) :把过去相隔一定时间的一系列模 式格点分析场作为集合预报的系列初始场,由此得到集 合预报。 (3) 增长模培育法(BGM) :是Toth 和Kalnay 提出的一种 方法。选择模式6 h 预报场与同一时刻的分析场之偏差 作为初始扰动。 (4) 奇异向量法(SVs) :基本原理是利用非线性动力学理 论中的有限时间不稳定理论和数值天气预报中同化技术 即切线性和伴随模式,求取切线性模式的奇异值和奇异 向量,最大奇异值对应的奇异向量就是增长得最快的扰 动。
物理过程扰动产生方法
在物理过程参数化中加入随机扰动项 同一物理过程使用不同的参数化方案
集合预报系统结构图
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
3 集合预报可用性的基础
大的集合预报离散度与低的控制预报 技巧相对应；
小的集合预报离散度与高的控制预报 技巧相对应；
集合预报定义：用适当的方法，构造一“族”不同初值的、不同模式 的预报样本，在同一时效做出多个预报“结果”，这一预报“集”就 称为集合数值天气预报，简称“集合预报”，Ensemble Prediction,
多中心集合预报
（日本、英国、欧洲中心）
逐年预报准确率变化曲线
2天预报
4天预报
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
优点：
简洁。 关注重要预报变量的重点阈值。
缺点:
只能预报概率分布的一部分。 可能会掩盖也许会发生的小概率事件。
集合平均和离散图
很简洁，但是有可能滤掉了有用的信息。
集合平均给出所有预报成员的平均。 (平均 已经平滑掉了小的不可预报的特征，保留相 对可预报的大尺度特征。
集合离散: 对不确定性的估计 不同变量，离散度不同。
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
4 集合预报主要产品
集合预报:
如何概括和抽取最有效的信息？
提取信息，同时意味着我们会失去一些信息 （有可能是很重要的信息）
针对不同问题和需求，我们需要设计 不同的集合预报产品。
主要的图形类型:
空间图形 (固定时间):邮票图，分类图，概率图，平 均离散图，面条图等
a）5天预报（结束时间1995年11月15日）；b）3天预报 （结束时间1995年10月21日）。等高线：5640米。
相空间中的概率密度函数 - 严格求解不可能，集合预报技 术成为一个变通办法
相 空 间 演中 变集 示合 意预 图报 各 成 员
集合预报的两个特征量：均值和离差
集合预报的意义
平均值：集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它 集合预报成员的预报技巧。一周以后，均值的预报技巧 甚至超过确定性的业务预报模式的技巧。
集合数值预报基本概念
何谓集合数值天气预报?
传统的数值天气预报每个时效只给出一个预报，认为数值 天气预报是“确定的”；集合数值预报每个时效给出两个 以上的预报，认为数值天气预报是“不确定性的”。
为什么存在“不确定性”？
原因：气象模式（经简化）、气象资料（观测方法局限性） 存在误差、大气系统本身（复杂非线性）；这些因素的共 同影响，就使得数值预报不仅仅存在一种可能（即非确定 的），而且存在着多种可能，是依赖于初始误差密度函数 的、依赖于模式不确定性的概率数值预报。
给出不同预报类型发生的可能性。
500 hPa 高度场 轨迹分类图（57天）: 属于第一 类的成员数为15， 第二类为9，第 三类为9。
超过某个阈值的概率图
对极端事件非常有用。
概率计算：超过某个给定阈值的成员数，比上 成员总数。
prob nthreshold Ntotal
Spatial graphs: Probabilities
(1) 随机扰动法(MCF) :最简单方法是Monte Carlo 随 机扰动法,有不同方式的随机扰动,如将随机值加到格 点场、谱系数或经验正交函数中。缺点是与动力模式 不相协调,从随机扰动产生的初始场要演变成动力不 稳定结构差异较大的大尺度环流,需要较长的时间。 这导致集合成员间的分离度很小,目前较少使用该方 法。
2 扰动产生方法
初始扰动产生方法
随机方法 时间滞后方法 增长模培育法（NCEP方法） 奇异向量方法（ECMWF方法）
初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量。 初始场扰动方法的基本原则是: (1)扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布 较一致,以保证每个初始场都可能代表大气实际 状态。 (2) 每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能 大地发散,以保证预报集合最大可能地包含实际 大气可能状况。