第6節(jié)數值預報產品釋用

1.數值預報產品的定性應用方法

2數值預報產品的定量應用方法

定性應用數值預報產品制作天氣預報，實際上就是把天氣學理論和天氣圖預報方法進行移植和擴展。不同于傳統(tǒng)天氣預報方法的是，將對前期和現時實況天氣圖的時間、空間分析延伸到了未來(利用了數值預報結果)，并把傳統(tǒng)天氣圖方法中對氣壓場、高度場(風場)及溫度場、濕度場的分析和預報擴展到對物理量場的分析和預報，我們把這種分析預報過程稱之為“縱橫分析”。在形勢分析、預報的基礎上，與天氣學方法相應的一些具體預報方法也可用于數值預報產品的應用。

1數值預報產品的定性應用方法1縱橫分析法以日本傳真圖(包括分析圖和數值預報圖)為例，縱橫分析的思路可用圖8.1表示。圖2.1數值預報產品應用的‘縱橫分析’示意圖

橫向分析，就是對各類圖(包括前期實況分析圖、現時實況分析圖、不同時效的數值預報圖)作時間連續(xù)的演變分析。要著重分析影響系統(tǒng)的移動及移動中各時段的強度變化(包括生消)。分析中應對各物理量場(如渦度及渦度平流、垂直速度場等)的演變情況結合起來進行?？v向分析，是對同一時間的各類圖作垂直對比分析，從中了解主要影響系統(tǒng)的空間結構和有關物理量的配置關系及其演變情況。如FSAS上若本站受低壓控制，且FSFE02圖中本站處于雨區(qū)內，則可對應分析FXFE782圖的鋒區(qū)、槽線(切變線)、垂直速度和FXFE572上的濕區(qū)以及FUFE502上的渦度(渦度平流)等分布情況，以及上下對應分析槽線(鋒面)坡度及降水所在部位，由此判斷鋒面類型和相應的天氣特點。這種分析對具體的要素預報有直接的啟示作用。相似形勢法相似形勢法也叫天氣—氣候模型法，它是天氣圖預報具體方法的一種。它的理論依據是相似原理，即認為相似的天氣形勢反映了相似的物理過程，因而會有相似的天氣出現。用傳統(tǒng)的相似形勢法作氣象要素預報，要在事先用歷史資料把各種天氣出現時的地面或空中形勢歸納成若干型天氣－氣候模型，并統(tǒng)計各型的相似天氣過程與預報區(qū)天氣的關系。作預報時；只要根據當時的天氣形勢及其演變特點，找到歷史相似天氣型，即可作出相應的天氣預報。有了數值預報產品，我們可以將傳統(tǒng)的相似形勢法加以改造和利用。方法是用預報的形勢場到歷史資料中找出相似個例或相似模型，則該相似個例或相似模型對應出現的天氣，就是我們要預報的結論?？梢?，應用了數值預報產品，使我們把衡量天氣形勢和天氣過程相似的標準，從前期和當前推進到了未來，無疑這對提高預報準確率是有利的。3落區(qū)預報法將表征某種天氣現象發(fā)生時的一些物理條件的特征量(線)，描繪在同一張?zhí)鞖鈭D上，然后綜合這些條件，把各特征量(線)重合的范圍認為是該種天氣現象最可能出現的區(qū)域，這種方法就叫做落區(qū)預報法。實踐表明，某些天氣(特別是對流性天氣)形成的物理條件常常在天氣產生前不久才開始明顯。因此，在有數值預報產品以前，落區(qū)預報法所能預報的時效是非常有限的，一般只能作12小時以內的預報。因為用當時的觀測實況資料組成的各特征量(線)來確定某天氣現象的落區(qū)，從本質上講只是一種實時診斷而非預報。有了數值預報產品，就有了預報的未來的天氣形勢、有關物理量，也就有了能反映某種天氣產生的各物理特征量(線)的預報值，根據這些特征量(線)確定的天氣落區(qū)，才是真正意義上的落區(qū)預報。例如，我們要預報雷暴等對流性天氣，就需要了解未來的影響系統(tǒng)(觸發(fā)機制)、垂直運動、濕度及穩(wěn)定度等情況，并用相應的特征量(線)來確定其未來的落區(qū)。根據可得到的數值預報產品和有關的天氣學知識，一般認為槽前型雷暴多出現在500hPa槽前、低空SW風急流的左前方、有上升運動(

<0)、正渦度(

>0)或正渦度平流(—V?

>0)、中低層濕度大(T—Td<3℃)和條件不穩(wěn)定區(qū)域，據此就可構成雷暴的預報落區(qū)。由于公開發(fā)布的數值預報產品是有限的，有時還不能完全滿足預報工作的需要，因而根據需要有時還要對已有的數值預報產品進行再加工，國外稱此為數值輸出產品的再診斷(ModelOutputDiagnoses，簡稱MOD)。比如，我們可以根據位勢高度場或風場的預報結果，分析出相應的槽線(切變線)；根據850hPa風場預報確定低空急流；根據850hPa溫度場預報確定鋒區(qū)及鋒面性質；根據850hPa和500hPa上預報的溫度計算出兩層間的溫差，來近似地反映穩(wěn)定度；根據預報的渦度場和高度場，分析正負渦度平流區(qū)等。雷暴落區(qū)預報示意圖

2數值預報產品的定量應用方法數值預報產品統(tǒng)計釋用的一般方法相似預報法動力釋用方法卡爾曼濾波方法的應用

只講授，統(tǒng)計釋的一般方法1數值預報產品統(tǒng)計釋用的一般方法大氣運動既有確定性的一面，又有隨機性的一面。數值預報本身主要是以確定性的大氣動力學為基礎的，而大氣運動的隨機性的描述則主要靠統(tǒng)計學。把描述大氣“行為”的統(tǒng)計概念和動力概念結合起來，就形成了統(tǒng)計動力預報方法。目前用得最多、效果較好的統(tǒng)計動力預報法主要以完全預報(PerfectPrediction，簡稱PP)法和模式輸出統(tǒng)計(ModelOutputStatistics，簡稱MOS)預報法為代表。后來，人們在實踐中發(fā)現，把預報員的經驗、診斷量與模式輸出產品相結合(稱為MED方法)，預報的效果可更好，從而以此為思路產生了相應的一些綜合預報方法。

PP法

PP法是1959年由美國克萊因(W.H.Klein)提出的。它用歷史資料中與預報對象同時間的實際氣象參數作預報因子，建立統(tǒng)計關系。即在建立統(tǒng)計預報方程時，預報對象和預報因子都是同時的觀測(或診斷)值，而且預報因子是指數值預報能夠輸出，且用歷史天氣資料稍作加工就可以得到的量。應用時，假定數值預報的結果是“完全”iE確的，用其預報結果，例如24(36)小時數值預報產品代人到上述統(tǒng)計關系式中，就可得到預報對象的24(36)小時預報結論。

PP法由于應用了數值預報結果，其預報精度一般可高于由前期因子報后期狀態(tài)的經典統(tǒng)計預報法(Classic

Statistics，簡稱CS)。又因它可利用大量的歷史資料進行統(tǒng)計，因此得出的統(tǒng)計規(guī)律一般比較穩(wěn)定可靠。它可以利用不同的數值模式的輸出產品進行預報，且隨著數值模式的改進，PP法會自動地隨之提高預報準確率。且由于數值模式改動時，事先建立的統(tǒng)計關系不會受到影響，因而不會影響業(yè)務工作的連續(xù)進行。

但用PP法作預報，除含有統(tǒng)計關系造成的誤差外，主要是無法考慮數值模式的預報誤差(認為其“完全"iE確)，因而使其預報精度受到一定影響。如果能在了解數值模式性能的基礎上，用前述誤差分析方法統(tǒng)計出各種不同情況下的平均誤差值，對數值預報的結果進行訂正后再代人完全預報統(tǒng)計關系式中，就可使PP的誤差減小。此外，由于PP的統(tǒng)計關系不受數值模式的影響，所以可同時使用幾種不同的數值預報產品，例如分別使用日本、歐洲中期天氣預報中心和我國的預報產品，然后進行綜合，這樣得到的結果一般較可靠些。MOS法

MOS法是1972年由美國氣象學家格萊恩(H.R.Glahn)和勞里(D.A.Lowry)提出并投入業(yè)務預報使用的。MOS方法直接把數值預報模式的輸出產品作為預報因子，并與預報時效對應時刻的天氣實況(預報對象)建立統(tǒng)計關系。作預報時，只要把數值模式輸出的結果代人建立的統(tǒng)計關系式，即可得到預報結論。MOS方法可以引入許多其它方法難以引入的預報因子(如垂直速度、渦度等物理意義明確、預報信息量較大的因子)。它還能自動地修正數值預報的系統(tǒng)性誤差。例如，某數值模式對槽脊系統(tǒng)的預報有規(guī)律的偏慢，則根據這種預報偏慢了的槽及有關物理量，統(tǒng)計其與實際天氣區(qū)的關系，用這樣建立起來的統(tǒng)計關系式，仍可把天氣區(qū)報在較為接近實際的位置上，而不是報在偏慢了的槽附近。因此，在目前數值預報還不能完全正確的情況下，MOS的預報精度普遍優(yōu)于PP法。MOS方法的不便之處是，它要求有至少1-2年的數值預報產品歷史資料作為建立MOS方程的樣本資料。而且數值模式一旦有了改進或變動，就會在某種程度上影響MOS預報的效果。雖然國內外都有人做過對比試驗，認為MOS預報對數值模式的改變并不十分敏感，但以改進的數值模式產品重新推導出MOS方程，顯然是利于提高預報質量的。尤其是當數值模式由差分格差改為譜模式這樣的重大變化時，重建MOS方程是必要的。

根據數值預報產品的來源，MOS方法又可分為中心MOS和地方MOS兩種。中心MOS是指自己制作數值預報的某級氣象中心(如國家氣象中心)，利用自己的數值預報產品制作對下屬各地具有指導作用的MOS預報?？梢姡行腗OS的優(yōu)勢是自己做數值預報，因而有大量數值預報產品提供數以萬計的候選因子，且常有高性能的計算機可供處理使用。而地方MOS使用的數值預報產品，是由上級氣象中心甚至別國制作并提供的，建立MOS方程所用的統(tǒng)計方法一般也比較簡單?？梢姡胤組OS可供選擇的數值預報產品因子是有限的，但卻能有效地發(fā)揮預報員對當地天氣特點的了解和預報的經驗，采取如將天氣形勢分型等方法，按實際工作需要有重點地建立相應的MOS方程。顯然，目前我國省級以下氣象部門大多只能采用地方MOS方法。但隨著數值預報的發(fā)展和普及(包括微機性能逐步提高到適于制作數值預報)，中心MOS的做法，或中心MOS與地方MOS優(yōu)勢的結合，將成為MOS預報的發(fā)展趨勢。

MED法

MOS預報的實踐表明，采用純MOS方法仍有許多局限性。由于許多預報量(如能見度、低云、海浪、雷暴等對流天氣)明顯與邊界層條件等有關，靠獲取上級或國外數值預報產品的“地方MOS"方法無法完全解決。因為來自上級或國外的數值預報產品中，可選因子非常有限。為此，人們開始采用把MOS預報與天氣學經驗預報(E)以及診斷分析(D)相結合的綜合預報方法，成為當前天氣預報(尤其是航空天氣預報)的較為有效的工具。有人曾用此方法作了南京地區(qū)五月份雷暴的短期預報試驗，取得了較好效果。大致做法如下：

(1)在普查歷史資料的基礎上，根據預報員的經驗，經檢驗提出一組有明確物理意義又具分型功能的消空指標(稱為消空指標庫)。凡符合消空指標之一者即報第二天(06—18時)無雷暴發(fā)生。否則用以下建立的回歸方程作出預報。

(2)預報方程

y＝－0.34+0.41x1+0.18x2+0.39x3+0.43x4方程的臨界判別值yc=0.49。其中：

xl為南京17時地面氣溫和露點溫度的24小時變量組合因子；

x2為南京08時700與500hPa之間氣層的平均溫度平流；

x3為南京08時850與500hPa水汽通量差動平流的24小時變量及

e隨高度變化的組合；

x4為數值預報因子。由地面氣壓場24小時預報值和36小時降水量預報組成

河南省正陽縣氣象站趙家忠在作單站降水分級預報中也采用了類似的方法(他們稱為EMOS方法)。除了用數值預報產品外，他們也選用了前期700hPa兩地高度差、前期本站絕對濕度與氣壓的24小時變量差等經驗因子。但他們?yōu)榱私鉀Q雨量等級預報問題，采取了以下措施，其思路值得借鑒。

①首先對因子進行分級處理。將因子值與預報對象對應，在數軸上點繪，劃定處于各級的上、下界，并確定因子編碼值。如對700hPa的T—Td36小時預報值這一因子，劃定>8時編為0；5—8時編為0.5；<5時編為1。

②建立預報方程(用因子間的邏輯乘并求和的方法)。

③用預報方程對歷史樣本進行擬合，并劃定無雨、小到中雨、中到大雨、大到暴雨各級的判別界值。應注意的幾個問題

1.關于PP，MOS，MED與CS的聯(lián)系與區(qū)別

PP和MOS都是動力－統(tǒng)計預報方法，MED可稱為天氣－動力－統(tǒng)計方法，它們所采用的基本技術都屬于統(tǒng)計學的范疇，因此可以說，都是源于經典統(tǒng)計方法的。它們的區(qū)別在于建立預報方程時所用的因子資料不同，制作預報時所用的因子資料也有差別。如果記：

Yt為t時刻預報量的估計值(預報值)；

X0為預報起始時刻或之前的預報因子實測值；

Xt為與預報量同時出現的預報因子實測值；

Xt為數值預報作出的t時刻的預報因子值。則CS，PP，MOS，MED的方程建立和使用可用下表所列的數學表達式來描述。CS，PP，MOS，MED方程的區(qū)別

可見，PP，MOS，MED的共同優(yōu)點是預報中使用了數值預報產品作為預報因子。因此，發(fā)揮它們的優(yōu)勢的關鍵是選擇適當的數值預報產品因子。選擇的原則是根據不同的預報對象，針對其形成條件和機制，從眾多的數值預報產品中挑選物理意義清楚，與預報對象相關性好而因子之間盡可能相互獨立者。

2.注意天氣氣候規(guī)律的應用為了改進數值預報產品的統(tǒng)計釋用效果，象經驗預報那樣，注意天氣氣候規(guī)律的應用，是非常重要也十分必要的。

(1)我們知道，不同的天氣階段，例如多雨時段和少雨時段，有不同的天氣活動特點，需要使用不同的預報因子和指標。因此，在應用上述方法作數值產品的統(tǒng)計解釋時，通常需要按不同的時間分別建立統(tǒng)計預報方程。

常用而簡便的方法是按月或季節(jié)分別建立預報方程，這可以部分地考慮天氣氣候背景的因素。但實際的天氣階段并不一定和月界、季界相一致，所以如果能按各地實際的天氣時段分段作統(tǒng)計預報方程，可望得到較好的效果。若采用動態(tài)相似統(tǒng)計方法對歷史樣本的處理方法，則效果更好。

(2)不同的天氣形勢，反映了不同的影響系統(tǒng)，通常有不同的天氣特點。因而，在數值產品的統(tǒng)計解釋應用中，分型統(tǒng)計的方法也常被采用，而且在通常情況下比不分型的效果要好。動態(tài)相似統(tǒng)計方法，實際上包含了客觀分型的作用。

(3)分型、分月(季)統(tǒng)計帶來的不良后果是減少了統(tǒng)計樣本，這對小概率天氣的預報影響更明顯。解決的辦法之一是采用同一氣候相似區(qū)域內樣本共享的方法，建立一個區(qū)域預報方程。美國國家天氣局技術發(fā)展實驗室在制作大降水MOS預報時，就采用了這一方法。但該方法也有弊病：用同一區(qū)域方程來對該區(qū)域內的各站點作預報時，方程的因子種類、系數對各站均相同，只是因子值不同。而區(qū)域內相鄰兩站的距離可能不足一個格距，經插值后得到的因子值及其預報結果很難區(qū)分兩站的差別。所以還要有下述樣本過濾的方法加以彌補。

3.關于小概率天氣預報中的樣本過濾(消空)問題統(tǒng)計預報的基本特點之一是對小概率事件的預報能力差。為了提高統(tǒng)計樣本的氣候概率，在進行統(tǒng)計前首先對樣本資料進行過濾(也叫消空)是十分必要也非常有效的。過濾(消空)的做法是：

(1)建立資料檔案。設有乙個候選因子，樣本個數M個，預報對象出現的有N例。

(2)確定因子類型。預報因子一般有以下三種類型：

a型(正相關型)：因子值越大，預報對象出現越有利；

b型(反相關型)：因子值越小，預報對象出現越有利；

c型：因子值在某區(qū)間，預報對象出現有利(如風向)。

(3)根據因子的不同類型，在M個歷史樣本中找出預報對象出現(y＝1)時各因子的最小值

、最大值

(a型

=+

，b型

=－

)。并稱[

，+

)，(－

，

]，[

，

為a，b，c三類因子的“

，

”區(qū)間。顯然，在“

，

”區(qū)間以外的樣本，都未出現過預報對象，都是可消空樣本。

(4)分別計算每個候選因子的可消空樣本數Mi(即“

，

”區(qū)間外的樣本數)。可見，可消空數越大，該因子消空能力越強，應優(yōu)先取用。即先用該因子對樣本進行消空。

(5)用剩余的因子和樣本繼續(xù)上述工作，直到所有因子不能再對剩余樣本消空為止。則所有選取的因子及其確定的

，

值(<

或>

即為消空條件)構成該預報對象的消空指標庫。前述MED方法舉例中的消空指標庫就是這樣確定的。夏建國在“全國248站中—大雨以上降水概率MOS預報”一文中，對各站都設計了6個標準作為過濾條件；周家斌等在“數值預報產品在人機交互系統(tǒng)中的應用研究”一文中也綜合預報員的經驗，采用了天氣學消空條件。這些工作都取得了較好的效果。

4.注意再加工因子的利用在上一節(jié)介紹數值預報產品的定性應用方法時，我們已提到數值產品的再加工(再診斷)問題。實際上在定量應用數值預報產品時也會遇到類似的問題，也需要采取類似的解決辦法。

(1)簡單算術運算后的加工因子。比如我們在作中期MOS預報時，如果使用歐洲中期天氣預報中心的預報產品，那么可供選擇的預報因子就只有地面氣壓場、500hPa高度場和850hPa的U，V分量與溫度場以及200hPa的U，V分量等為數不多的產品，此時可通過再加工來獲得許多有意義的新因子。這里僅以高度場的格點值為例，看是如何通過再加工來增加預報信息的。

設格點分布如圖8.18所示，則有

T1＝H1+H3+H5+H7—4H0

2H)根據地轉風原理可知，它表示了在0點的地轉相對渦度。T2＝(H6+H7+H8)一(H4+H3+H2)

近似表示了南北方向的氣壓梯度。

T3＝(H2+H1+H8)一(H4+H5+H6)

近似表示了東西方向的氣壓梯度。

T4＝H4+H8—2H0近似反映東北—西南走向的高空槽的強度。

T5＝(T4+T6—2H5)+(T3+H7—2H0)+(H2+H8—2H1)T6＝(H2+H4—2H3)+(H1+H5—2H0)