ISSN 1004-4965

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基于集合匹配尺度的邻域集合概率法及其在梅雨锋暴雨预报中的适用性

徐渊 闵锦忠 庄潇然 陈云辉 张璐 田高山

徐渊, 闵锦忠, 庄潇然, 陈云辉, 张璐, 田高山. 基于集合匹配尺度的邻域集合概率法及其在梅雨锋暴雨预报中的适用性[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 313-325. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.029
引用本文: 徐渊, 闵锦忠, 庄潇然, 陈云辉, 张璐, 田高山. 基于集合匹配尺度的邻域集合概率法及其在梅雨锋暴雨预报中的适用性[J]. 热带气象学报, 2024, 40(2): 313-325. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.029
XU Yuan, MIN Jinzhong, ZHUANG Xiaoran, CHEN Yunhui, ZHANG Lu, TIAN Gaoshan. Neighborhood Ensemble Probability Method Based on Ensemble Agreement Scale and Its Application on Quantitative Probability Forecast of Meiyu Frontal Heavy Rainfall[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(2): 313-325. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.029
Citation: XU Yuan, MIN Jinzhong, ZHUANG Xiaoran, CHEN Yunhui, ZHANG Lu, TIAN Gaoshan. Neighborhood Ensemble Probability Method Based on Ensemble Agreement Scale and Its Application on Quantitative Probability Forecast of Meiyu Frontal Heavy Rainfall[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(2): 313-325. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.029

基于集合匹配尺度的邻域集合概率法及其在梅雨锋暴雨预报中的适用性

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.029
基金项目: 

国家自然科学基金项目 42192553

江西省气象局青年人才培养项目 “631”强降水定量客观预报、预警方法研究

江西省气象局面上项目 JX2023M24

详细信息
    通讯作者:

    闵锦忠,男,江苏省人,教授,主要从事中小尺度数值模拟、资料同化、集合预报等方面的研究。E-mail:minjz@nuist.edu.cn

  • 中图分类号: P426.62

Neighborhood Ensemble Probability Method Based on Ensemble Agreement Scale and Its Application on Quantitative Probability Forecast of Meiyu Frontal Heavy Rainfall

  • 摘要: 概率预报是由集合预报衍生、包含不确定性信息的客观产品,对业务决策服务有重要的参考价值。传统的邻域集合概率法中,邻域半径固定不变,不符合实际天气过程中牵涉甚广的尺度谱。为此引入基于集合匹配尺度的邻域集合概率法(Neighborhood Ensemble Probability based on Ensemble Agreement Scale,EAS_NEP),并在中国南方典型的梅雨锋暴雨中开展准确性和预报技巧的定量检验评估,以期验证该方法在此类过程中的适用性,并促进其在实际业务中的推广使用。联合扰动初始场、侧边界和物理过程所得到的集合预报能较好地表征实际的预报不确定性,进一步在此基础上比较了格点概率法、不同半径的邻域集合概率法以及EAS_NEP的优劣。试验结果表明,EAS_NEP能根据集合成员间的一致性程度,自适应地调整邻域半径,其在集中型降水中所确定的邻域半径通常大于分散型降水。动态调整的邻域半径既避免了半径过大时的过度平滑与关键信息丢失,又消除了半径较小所带来的奇异点,其空间分布呈阶梯型,空间连续性更优。此外,BS(布莱尔评分)、FSS(分数技巧评分)和ROC曲线(相对作用特征曲线)等定量评估结果也体现出EAS_NEP相比传统方法正的预报技巧,尤其是在分散型降水和高阈值检验时优势更明显。以上结果表明,EAS_NEP在梅雨锋暴雨的预报中具有较好的应用前景,运用在业务中能有效提升概率预报质量。

     

  • 图  1  三种理想情形下(a1~a3),GP(b1~b3),NEP(c1~c3),EAS_NEP(d1~d3)所产生概率预报(单位:%)的空间分布[11]

    图  2  2017年6月9日12时(a)、2021年7月3日18时(b)500 hPa位势高度(填色和蓝色等值线,单位:dagpm)、850 hPa相当位温(绿色等值线,单位:K)和风场(矢量,单位:m · s-1);2017年6月9日12时—10日12时(c)、2021年7月3日18时—4日18时(d)24 h累积降水量(单位:mm)

    图  3  模拟区域

    图  4  case1积分6 h(a1)、12 h(b1)、18 h(c1),case2积分6 h(a2)、12 h(b2)、18 h(c2)逐小时降水量(单位:mm)的集合平均扰动-CTRL误差散点图

    图  5  EAS_NEP方案中case1和case2在研究区域的平均邻域半径随积分时间的变化

    阈值为5 mm ·h-1

    图  6  case1 2017年6月9日12时—10日12时24 h累积降水的概率预报GP(a1),r = 1(b1),r = 4(c1),r = 8(d1),r = 16(e1),r = 24(f1),EAS_NEP(g1);case2 2021年7月3日18时—4日18时24 h累积降水的概率预报GP(a2),r = 1(b2),r = 4(c2),r = 8(d2),r = 16(e2),r = 24(f2),EAS_NEP(g2)

    阈值均为50 mm ·(24 h)-1,相应的BS和FFS在图中标注。

    图  7  case1 GP(a1),r = 1(b1),r = 4(c1),r = 8(d1),r = 16(e1),r = 24(f1),EAS_NEP(g1);case2 GP(a2),r = 1(b2),r = 4(c2),r = 8(d2),r = 16(e2),r = 24(f2),EAS_NEP(g2) 24 h累积降水量概率预报在各概率区间上的频率分布

    阈值均为50 mm ·(24 h)-1

    图  8  case1中雨(a1),大雨(b1),暴雨(c1)和case2中雨(a2),大雨(b2),暴雨(c2)逐小时降水量概率预报的FSS

    图  9  case1 GP(a1),r = 1(b1),r = 4(c1),r = 8(d1),r = 16(e1),r = 24(f1),EAS_NEP(g1);case2 GP(a2),r = 1(b2),r = 4(c2),r = 8(d2),r = 16(e2),r = 24(f2),EAS_NEP(g2) 24 h累积降水概率预报的ROC曲线

    曲线下方相应的面积在图中标注。

    表  1  PPMP的物理过程及参数设置

    集合成员序号 微物理方案 边界层方案 雨滴截断参数N0r/m-4 临界Richardson数Ric
    1 (CTRL) WSM6 MYJ 8×106 0.5
    2 WSM6 MYJ 8×105 0.5
    3 WSM6 MYJ 8×107 0.5
    4 WSM6 MYJ 8×106 1
    5 WSM6 MRF 8×106 0.5
    6 WSM6 MRF 8×105 0.5
    7 WSM6 MRF 8×107 0.5
    8 WSM6 MRF 8×106 1
    9 WSM5 MYJ 8×106 0.5
    10 WSM5 MYJ 8×105 0.5
    11 WSM5 MYJ 8×107 0.5
    12 WSM5 MYJ 8×106 1
    13 WSM5 MRF 8×106 0.5
    14 WSM5 MRF 8×105 0.5
    15 WSM5 MRF 8×107 0.5
    16 WSM5 MRF 8×106 1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-23
  • 修回日期:  2024-02-20
  • 网络出版日期:  2024-06-07
  • 刊出日期:  2024-04-20

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