全球集合預報系統(tǒng)綜述

孫令東

摘 要：主要介紹集合預報系統(tǒng)的發(fā)展，以及目前業(yè)務預報中所能獲取的主要全球集合模式的系統(tǒng)配置，包括中國T639集合預報模式、ECMWF（歐洲中期天氣預報中心）集合預報模式、美國NCEP（國家環(huán)境預報中心）和加拿大CMC（加拿大氣象中心）集合預報模式。不同用戶在根據(jù)集合預報結果進行決策時，往往比單一預報得到更多的信息，可以幫助預報員和公眾作出更好的決策。

關鍵詞：集合預報系統(tǒng)；集合預報類型；模式配置；集合預報發(fā)展

中圖分類號：P456 文獻標志碼：A 文章編號：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 集合預報系統(tǒng)簡介

大氣具有混沌特性，對于初始場的微小誤差高度敏感，這種誤差會迅速增長，影響可預報性[1-3]。初始場的誤差主要來源于觀測（資料在時間和空間上的不完整、代表性有限和測量誤差等）及資料同化過程（使用背景誤差協(xié)方差矩陣時，假設各向同性及缺乏背景誤差的信息等）。因此即使假設模式完備，這樣的初值也會使預報技巧在幾周后降為零。況且數(shù)值預報模式并非完備，離散化的大氣模式僅是真實大氣在數(shù)學和物理上的近似，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（近似估計粗糙度長度、土壤濕度、雪蓋、植被和海表溫度）都會帶來模式誤差，其像初始誤差一樣，會影響預報技巧。由于數(shù)值預報初值存在不確定性，及其本身的近似誤差和大氣混沌特性，決定天氣過程的演變是一個帶有不確定性因素在內(nèi)的隨機動力過程，完全用確定性動力學方法是無法完全描述大氣的真實演變過程，以集合預報方法為基礎的概率預報技術是數(shù)值預報發(fā)展的本質要求。

集合數(shù)值預報是估計數(shù)值預報中不確定性的一種方法，其將單一確定性預報轉變?yōu)楦怕暑A報。因此，集合預報的關鍵在于如何刻畫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報技術。早期的集合預報技術主要側重于初值擾動方法，通過構造不同概率密度（PDF）分布的初始場進行數(shù)值積分，從而產(chǎn)生集合預報，這類方法包括經(jīng)典的Monte Carlo方法、滯后平均法、增長模繁殖法、能量模奇異向量法、觀測擾動法、集合轉換卡曼濾波和集合轉換法等[4-6]。集合預報不但可以估計初始的不確定性，也可以通過多模式方法、物理過程的隨機模擬方法及隨機全傾向擾動法等來捕捉與模式相關的不確定性，從而彌補單一確定性預報的不足。此外，下墊面的邊界的不確定性估計也是集合預報技術研究的方向之一。

2 集合預報發(fā)展史

集合預報思想首先由Epstein和Leith提出，大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一階段是20世紀70～80年代，主要集中于集合預報的理論研究和數(shù)值實驗；第二階段是進入上世紀90年代后，隨著大規(guī)模并行計算機的發(fā)展，1992年集合預報系統(tǒng)在美國國家環(huán)境中心（NCEP）和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）投入業(yè)務運行，集合預報系統(tǒng)成為這兩個中心數(shù)值天氣預報的重要組成部分，我國的集合預報系統(tǒng)也于2000年前后開始建成；第三階段是90年代末以來，集合預報廣泛應用于日常預報中，研究也更加深入，開始研究模式物理過程擾動、多模式多分析初值的超級集合和熱帶地區(qū)集合預報問題。

近幾年來，集合預報系統(tǒng)建設日趨成熟，相關研究成果也為集合預報的理解和應用提供了更為充實的依據(jù)，集合應用工作開始全面展開。目前在國外各主要業(yè)務預報中心所采用的數(shù)值預報產(chǎn)品中，集合預報產(chǎn)品已經(jīng)成為最重要的組成部分，同時也是提高預報技巧最有效的途徑之一。我國在日常預報中開展集合預報的應用工作尚處于起步階段。

3 集合預報系統(tǒng)類型

通常，集合天氣預報系統(tǒng)的類型可以依據(jù)時空分辨率來劃分，有全球集合預報系統(tǒng)、區(qū)域集合預報系統(tǒng)和對流尺度的集合預報系統(tǒng)。全球集合預報系統(tǒng)以全球模式為主體，覆蓋全球范圍，當前各大主要業(yè)務中心的業(yè)務全球集合預報系統(tǒng)的水平分辨率最高可達15～30公里，預報時間長達15（或16）天，主要用于提供集合指導預報產(chǎn)品。區(qū)域集合預報系統(tǒng)的模式主體是區(qū)域模式，主要覆蓋某一特定區(qū)域，分辨率可達幾公里至十幾公里，預報時效為1～3天，側重于要素預報產(chǎn)品。對流尺度的集合預報系統(tǒng)是近些年發(fā)展很快的一類模式系統(tǒng)，其對于物理過程參數(shù)化要求比較高，重點在于捕捉對流尺度天氣活動的不確定性。隨著預報精細化和無縫隙需求的不斷提升，高性能計算機能力不斷提升，全球集合預報系統(tǒng)的分辨率也在不斷提高的背景下，區(qū)域集合預報系統(tǒng)的發(fā)展空間有被逐漸壓縮的趨勢。

基于上述三類主要的集合預報系統(tǒng)，在各種專業(yè)氣象服務和環(huán)境預報需求的驅動下也相應延伸出各自的集合預報系統(tǒng)，比如海浪集合預報系統(tǒng)、臺風/颶風集合預報系統(tǒng)、霧霾/沙塵集合預報系統(tǒng)等。

4 T639全球集合預報系統(tǒng)的模式配置

T639全球集合預報系統(tǒng)是數(shù)值天氣預報中心原T213系統(tǒng)的升級。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0.1百帕。每天進行兩次起報（00UTC和12UTC），預報長度為15天。包含控制預報在內(nèi)，共產(chǎn)生15個集合成員的預報。初始擾動采用增長模繁殖法產(chǎn)生，考慮隨機物理過程擾動，系統(tǒng)中中也包含臺風模塊（采用渦旋重定位和強度調整技術）。

5 ECMWF全球集合預報系統(tǒng)的模式配置

歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）于1992年12月份建成了全球集合預報業(yè)務。目前最新的全球集合預報系統(tǒng)采用集合資料同化-奇異向量法（EDA-SV）產(chǎn)生初始擾動，模式不確定性考慮修訂的隨機參數(shù)化擾動方案和隨機補償方案（Revised SPPT-SPBS）。模式主體采用兩種水平分辨率，10天以內(nèi)的預報模式主體為T639高分辨率模式，10天以上的預報模式主體采用T319模式，垂直方向到2013年11月達到91層，模式層頂可達0.1百帕。每天進行兩次起報（00UTC和12UTC），預報長度為15天。包含控制預報在內(nèi)，共產(chǎn)生51個集合成員的預報。

6 NCEP全球集合預報系統(tǒng)的模式配置

美國環(huán)境預報中心（NCEP）幾乎與ECMWF同時，于1992年12月建成了全球集合預報業(yè)務。目前最新的全球集合預報系統(tǒng)采用集合卡曼濾波（EnKF）方法產(chǎn)生初值擾動，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天以內(nèi)的預報模式主體為T574模式，8天以上的預報模式主體采用T382模式，垂直方向均是64層。每天進行四次起報（00UTC、06UTC、12UTC和18UTC），預報長度為16天，是目前預報長度最長的系統(tǒng)。包含控制預報在內(nèi)，共產(chǎn)生21個集合成員的預報。

7 CMC全球集合預報系統(tǒng)的模式配置

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

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