全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)綜述

孫令東

摘 要：主要介紹集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展，以及目前業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中所能獲取的主要全球集合模式的系統(tǒng)配置，包括中國(guó)T639集合預(yù)報(bào)模式、ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心）集合預(yù)報(bào)模式、美國(guó)NCEP（國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心）和加拿大CMC（加拿大氣象中心）集合預(yù)報(bào)模式。不同用戶(hù)在根據(jù)集合預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行決策時(shí)，往往比單一預(yù)報(bào)得到更多的信息，可以幫助預(yù)報(bào)員和公眾作出更好的決策。

關(guān)鍵詞：集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)；集合預(yù)報(bào)類(lèi)型；模式配置；集合預(yù)報(bào)發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：P456 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0049-02

Abstract： This paper mainly introduces the development of the ensemble forecasting system and the system configuration of the main global ensemble models that can be obtained in the operational forecasting at present. These models include China's T639 ensemble forecast model， ECMWF （European Center for Medium-Term Weather Forecast） ensemble forecast model， NCEP （National Environmental Forecasting Center） and CMC （Canadian Meteorological Center）. Different users tend to get more information than a single forecast when making decisions based on the ensemble forecast results， which can help forecasters and the public to make better decisions.

Keywords： ensemble forecast system； ensemble forecast type； model configuration； ensemble forecast development

1 集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

大氣具有混沌特性，對(duì)于初始場(chǎng)的微小誤差高度敏感，這種誤差會(huì)迅速增長(zhǎng)，影響可預(yù)報(bào)性[1-3]。初始場(chǎng)的誤差主要來(lái)源于觀測(cè)（資料在時(shí)間和空間上的不完整、代表性有限和測(cè)量誤差等）及資料同化過(guò)程（使用背景誤差協(xié)方差矩陣時(shí)，假設(shè)各向同性及缺乏背景誤差的信息等）。因此即使假設(shè)模式完備，這樣的初值也會(huì)使預(yù)報(bào)技巧在幾周后降為零。況且數(shù)值預(yù)報(bào)模式并非完備，離散化的大氣模式僅是真實(shí)大氣在數(shù)學(xué)和物理上的近似，有限的模式分辨率、不完備的物理參數(shù)化方案及邊界條件（近似估計(jì)粗糙度長(zhǎng)度、土壤濕度、雪蓋、植被和海表溫度）都會(huì)帶來(lái)模式誤差，其像初始誤差一樣，會(huì)影響預(yù)報(bào)技巧。由于數(shù)值預(yù)報(bào)初值存在不確定性，及其本身的近似誤差和大氣混沌特性，決定天氣過(guò)程的演變是一個(gè)帶有不確定性因素在內(nèi)的隨機(jī)動(dòng)力過(guò)程，完全用確定性動(dòng)力學(xué)方法是無(wú)法完全描述大氣的真實(shí)演變過(guò)程，以集合預(yù)報(bào)方法為基礎(chǔ)的概率預(yù)報(bào)技術(shù)是數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展的本質(zhì)要求。

集合數(shù)值預(yù)報(bào)是估計(jì)數(shù)值預(yù)報(bào)中不確定性的一種方法，其將單一確定性預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕暑A(yù)報(bào)。因此，集合預(yù)報(bào)的關(guān)鍵在于如何刻畫(huà)和表征初值不確定性、模式本身不確定性和邊界條件不確定性，由此衍生出不同的集合預(yù)報(bào)技術(shù)。早期的集合預(yù)報(bào)技術(shù)主要側(cè)重于初值擾動(dòng)方法，通過(guò)構(gòu)造不同概率密度（PDF）分布的初始場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值積分，從而產(chǎn)生集合預(yù)報(bào)，這類(lèi)方法包括經(jīng)典的Monte Carlo方法、滯后平均法、增長(zhǎng)模繁殖法、能量模奇異向量法、觀測(cè)擾動(dòng)法、集合轉(zhuǎn)換卡曼濾波和集合轉(zhuǎn)換法等[4-6]。集合預(yù)報(bào)不但可以估計(jì)初始的不確定性，也可以通過(guò)多模式方法、物理過(guò)程的隨機(jī)模擬方法及隨機(jī)全傾向擾動(dòng)法等來(lái)捕捉與模式相關(guān)的不確定性，從而彌補(bǔ)單一確定性預(yù)報(bào)的不足。此外，下墊面的邊界的不確定性估計(jì)也是集合預(yù)報(bào)技術(shù)研究的方向之一。

2 集合預(yù)報(bào)發(fā)展史

集合預(yù)報(bào)思想首先由Epstein和Leith提出，大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一階段是20世紀(jì)70～80年代，主要集中于集合預(yù)報(bào)的理論研究和數(shù)值實(shí)驗(yàn)；第二階段是進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，隨著大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的發(fā)展，1992年集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在美國(guó)國(guó)家環(huán)境中心（NCEP）和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)成為這兩個(gè)中心數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的重要組成部分，我國(guó)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)也于2000年前后開(kāi)始建成；第三階段是90年代末以來(lái)，集合預(yù)報(bào)廣泛應(yīng)用于日常預(yù)報(bào)中，研究也更加深入，開(kāi)始研究模式物理過(guò)程擾動(dòng)、多模式多分析初值的超級(jí)集合和熱帶地區(qū)集合預(yù)報(bào)問(wèn)題。

近幾年來(lái)，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)日趨成熟，相關(guān)研究成果也為集合預(yù)報(bào)的理解和應(yīng)用提供了更為充實(shí)的依據(jù)，集合應(yīng)用工作開(kāi)始全面展開(kāi)。目前在國(guó)外各主要業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中心所采用的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品中，集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品已經(jīng)成為最重要的組成部分，同時(shí)也是提高預(yù)報(bào)技巧最有效的途徑之一。我國(guó)在日常預(yù)報(bào)中開(kāi)展集合預(yù)報(bào)的應(yīng)用工作尚處于起步階段。

3 集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)類(lèi)型

通常，集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的類(lèi)型可以依據(jù)時(shí)空分辨率來(lái)劃分，有全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和對(duì)流尺度的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)。全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)以全球模式為主體，覆蓋全球范圍，當(dāng)前各大主要業(yè)務(wù)中心的業(yè)務(wù)全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的水平分辨率最高可達(dá)15～30公里，預(yù)報(bào)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15（或16）天，主要用于提供集合指導(dǎo)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式主體是區(qū)域模式，主要覆蓋某一特定區(qū)域，分辨率可達(dá)幾公里至十幾公里，預(yù)報(bào)時(shí)效為1～3天，側(cè)重于要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品。對(duì)流尺度的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)是近些年發(fā)展很快的一類(lèi)模式系統(tǒng)，其對(duì)于物理過(guò)程參數(shù)化要求比較高，重點(diǎn)在于捕捉對(duì)流尺度天氣活動(dòng)的不確定性。隨著預(yù)報(bào)精細(xì)化和無(wú)縫隙需求的不斷提升，高性能計(jì)算機(jī)能力不斷提升，全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的分辨率也在不斷提高的背景下，區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展空間有被逐漸壓縮的趨勢(shì)。

基于上述三類(lèi)主要的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在各種專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)和環(huán)境預(yù)報(bào)需求的驅(qū)動(dòng)下也相應(yīng)延伸出各自的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，比如海浪集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、臺(tái)風(fēng)/颶風(fēng)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)、霧霾/沙塵集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。

4 T639全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式配置

T639全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心原T213系統(tǒng)的升級(jí)。采用T639譜模式作為模式主體，模式水平分辨率為0.28125度（約30公里），垂直層數(shù)為60層，模式層頂可達(dá)0.1百帕。每天進(jìn)行兩次起報(bào)（00UTC和12UTC），預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為15天。包含控制預(yù)報(bào)在內(nèi)，共產(chǎn)生15個(gè)集合成員的預(yù)報(bào)。初始擾動(dòng)采用增長(zhǎng)模繁殖法產(chǎn)生，考慮隨機(jī)物理過(guò)程擾動(dòng)，系統(tǒng)中中也包含臺(tái)風(fēng)模塊（采用渦旋重定位和強(qiáng)度調(diào)整技術(shù)）。

5 ECMWF全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式配置

歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）于1992年12月份建成了全球集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。目前最新的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用集合資料同化-奇異向量法（EDA-SV）產(chǎn)生初始擾動(dòng)，模式不確定性考慮修訂的隨機(jī)參數(shù)化擾動(dòng)方案和隨機(jī)補(bǔ)償方案（Revised SPPT-SPBS）。模式主體采用兩種水平分辨率，10天以?xún)?nèi)的預(yù)報(bào)模式主體為T(mén)639高分辨率模式，10天以上的預(yù)報(bào)模式主體采用T319模式，垂直方向到2013年11月達(dá)到91層，模式層頂可達(dá)0.1百帕。每天進(jìn)行兩次起報(bào)（00UTC和12UTC），預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為15天。包含控制預(yù)報(bào)在內(nèi)，共產(chǎn)生51個(gè)集合成員的預(yù)報(bào)。

6 NCEP全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式配置

美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）幾乎與ECMWF同時(shí)，于1992年12月建成了全球集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。目前最新的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用集合卡曼濾波（EnKF）方法產(chǎn)生初值擾動(dòng)，模式不確性考慮STTP方案。模式主體也是采用兩種水平分辨率，8天以?xún)?nèi)的預(yù)報(bào)模式主體為T(mén)574模式，8天以上的預(yù)報(bào)模式主體采用T382模式，垂直方向均是64層。每天進(jìn)行四次起報(bào)（00UTC、06UTC、12UTC和18UTC），預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為16天，是目前預(yù)報(bào)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的系統(tǒng)。包含控制預(yù)報(bào)在內(nèi)，共產(chǎn)生21個(gè)集合成員的預(yù)報(bào)。

7 CMC全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式配置

加拿大氣象中心（CMC）于1998年2月建成全球集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。目前最新的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用集合卡曼濾波（EnKF）方法產(chǎn)生初始擾動(dòng)，模式不確性考慮多參數(shù)方案和隨機(jī)參數(shù)化過(guò)程方案。系統(tǒng)的水平分辨率為66公里。每天進(jìn)行兩次起報(bào)（00UTC和12UTC），預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為16天，也是目前預(yù)報(bào)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的系統(tǒng)。包含控制預(yù)報(bào)在內(nèi)，共產(chǎn)生21個(gè)集合成員的預(yù)報(bào)。

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