NCEPECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述.docx

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NCEPECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述

NCEP_ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述

20116TransactionsofAtmosphericSciencesJun,2011

麻巨慧，朱跃建，王盘兴，等,2011,NCEP、ECMWF及CMC全球集合预报业务系统发展综述,J,,大气科学学报，34（3）:

370-380,

MaJu-hui，ZhuYue-jian，WangPan-xing，etal,2011,AReviewontheedvelopmentsofNCEP，ECMWFandCMCglobalensembleforecatssystem

J,,TransAtmoSsci，34（3）:

370-380,

NCEP、ECMWFCMC及全球集合预报业务系统发展综述

1,2,3211,,,麻巨慧朱跃建王盘兴段明铿

（1,，210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京

2,EnvronmentaModengCenter/NCEP/NOAA，CampSprngs，MD20746USA;3,UCAR，Bouder，CO80307USA）illiil

（globalensembleforecastsystem，GEFS——）—:

3摘要总结了目前最具代表性的个全球集合预报系统美

（NationalCentersfoErnvironmentalPrediction，NCEP）、国国家环境预报中心欧洲中期天气预报中心（EuropeanCentreMfoedrium-RangeWeatherForecasts，ECMWF）（CanadianMeteoro-和加拿大气象中心

logicalCentre，CMC）。

，建成至今的发展概况由于计算资源的不断扩展各中心集合预报系统的模式分

、。

，辨率集合成员数也随之增加同时各中心都在不断地致力于发展和完善初始和模式扰动方法来更

，。

好地估计与初值和模式有关的不确定性促进预报技巧的提高其中初始扰动方法从最初的奇异向

（ECMWF）、（NCEP）（CMC）—量法增殖向量法和观测扰动法更新为现在的集合资料同化奇异向量法（ECMWF）、（NCEP）（CMC）。

，重新尺度化集合转换法和集合卡尔曼滤波在估计模式不确定性方面ECMWFCMC，NCEP和都修订了各自的随机参数化方案和多参数化方案最近也在模式中加入了随

。

，TIGGE（theTHORPEXinteractivegrand机全倾向扰动为提高全球高影响天气预报的准确率计划

globalensemble）、，的提出增进了国际间对多模式多中心集合预报的合作研究北美集合预报系统（NorthAmericanensembleforecastsystem，NAEFS），为建立全球多模式集合预报系统提供了业务框架

。

这都将有助于未来全球交互式业务预报系统的构建

:

;;;关键词全球集合预报系统初值不确定性模式不确定性多模式和多中心集合预报

:

P456.7:

A:

1674-709（72011）03-0370-11中图分类号文献标识码文章编号

AReviewonthedevelopmentsofNCEP，ECMWFandCMC

globalensembleforecastsystem1，2，3211MAJu-hu，ZHUue-an，WANGPan-xng，DUANMng-kengiYjiii（1,KeyLaboratoryMoefteorologicalDisasterofMinistryofEducation，NUIST，Nanjing210044，China;

2,EnvronmentaModengCenter/NCEP/NOAA，CampSprngs，MD20746，USA;3,UCAR，Bouder，CO80307，USA）illiil

Abstract:

ThepapersummarizesthedevelopmentsoftheNationalCentersforEnvironmentalPrediction（NCEP），theEuropeanCentreMforedium-RangeWeatherForecasts（ECMWF），andtheCanadianMete-orologicalCentre（CMC，）whicharethemosretpresentativeofglobalensembleforecastsystem（GEFS,D）uetotheenlargingofcomputationalresources，themodelresolutionandensemblesizeoftheirGEFSsubsequentlyincrease,Atthesametime，forpromotingtheimprovementoftheofrecastskill，theyallde-votetoedveloptheinitialandmodelperturbationmethodsusedstiomulatethe

effectofinitialandmodeluncertainties,Theinitialperturbationmethodsareupdatedfromthesingularvector（SV）method（ECMWF），therbeedingmethodN（CEP）andtheperturbedobservation（PO）method

（CMC）tothenseembleofdatassaimilationandsingularvector（EDA-SV）method（ECMWF），

:

2010-10-16;:

2011-01-19收稿日期改回日期

基金项目:

NOAAHurrcaneForecastmprovementProgramH（FP）iII

作者简介:

麻巨慧（1983—），女，黑龙江哈尔滨人，博士生，研究方向为集合预报，Juhui,Ma@noaa,gov,

theensembletransformitwhrescaling（ETR）method（NCEP）andtheensembleKalmanfilter（EnKF）method（CMC,）Severalattemptsarealsomadetoaccountmforodel-relateduncertainty,ECMWFandCMChaverevisedtheirstochasticphysicsparameterizationtendencies（ECMWF）andmulti-parameteriza-tion（CMC）schemes，andNCEalPsodevelopsstochastictotaltendencyeprturbationtoestimatethemod-e-reateduncertanty,Toacceeratemprovementsontheaccuracygofobahgh-mpactweatherorfe-llilillii

casts，TIGGE（theTHORPEXinteractivegrandglobalensemble）wasinitiatedtoenhanceinternationalcollaborationonmulti-centerandmulti-modelensembleforecast，andNAEFS（NorAtmhericanensembleforecastsystem）canropvideanoperationalframeworkforglobalmulti-modelensembleforecastsystem,Theyareallhelpfulfordevelopingtheglobalinteractiveforecastsystem（GIFS）,Keywords:

globalensembleforecastsystem;initialuncertainty;modeluncertainty;multi-modelandmulti-centerensembleforecast

（Tothetal,，2007）。

高可预报性不同用户在根据集0引言合预报结果进行决策时要比使用单一预报得到更多

，的经济利益因为集合预报可以针对他们各自的成，大气具有混沌特性对于初始场的微小误差高

/（Zhuetal,，2002），，，本损失比提供不同的决策标准度敏感这种误差会迅速增长影响可预报性

（Lorenz，1963。

）（而单一确定性预报无法帮助每一个用户根据自身的初始场误差主要来源于观测资料

，，在时间和空间上的不完整代表性误差和测量误差情况做出最优的决策用户只能简单地依赖气候场）（等及资料同化过程使用背景场误差协方差时假。

Joslynetal,（2007）Nadav-Green-信息进行判断和

），设各向同性及缺乏背景场误差的信息等即使假bergandJoslyn（2009），的研究表明预报中包含不确

，设模式完备这样的初值也会使预报技巧在几周后，。

定性估计可以帮助预报员和公众做出更好的决策

（TothandKalnay，1993）。

降为零况且数值预报模

，式并非完备离散化的大气模式仅是真实大气在数Centersorf（National美国国家环境预报中心。

、学和物理上的近似有限的模式分辨率不完备的EnvironmentalPrediction，NCEP）和欧洲中期天气预（物理参数化方案及边界条件近似估计粗糙度长（EuropeanCentreMforedium-RangeWeather报中心、、、）度土壤湿度雪盖植被和海表温度都会带来模Forecasts，ECMWF）199212于年月分别建立了各自，，。

式误差它像初始误差一样会影响预报技巧（globalensembleforecastsys-的全球集合预报系统集合预报是估计数值预报中不确定性的一种方tem，GEFS），（CanadianMeteorologi-加拿大气象中心，。

法它将单一确定性预报转变为概率预报初始场

calCentre，CMC）19982的集合预报业务也于年月（PDF）。

的不确定性可用概率密度函数来表征集合

，GEFS，ECMWF建成它们是目前最具代表性的和PDF，预报的初始扰动方法就是通过不同方式取样

（Leith，1974）、包括经典的蒙特卡罗法滞后平均法

ensemblepredictionsys-CMCGEPS（global（HoffmanandKalnay，1983）、（Tothand称其为增殖向量法

Kalnay，1993，1997）、（Buizzaand能量模奇异向量法tem），，GEFS。

为叙述方便本文统一称为近来一些

3研究也对这个中心的初始扰动方法及集合预报产

。

Bowler（2006）Lorenz96品进行了比较使用低阶的

（ensembleKalmanfil-模式比较得出集合卡尔曼滤波

Palmer，1995;Moltenietal,，1996）、观测扰动法ter，EnKF）（breedvector，BV）方法要优于增殖向量

（Houtekameret（singularvector，SV），Des-al,，1996）、法和奇异向量法的结论集合转换卡尔曼滤波

campsandTalagrand（2007）Lorenz96也使用模式和（Bishopetal,，2001;WangandBishop，2003）和集合

。

（Weietal,，2008）。

三层准地转模式得到了一致的结论尽管上述转换法等集合预报不但可以估

，，计初始不确定性也可以通过采用多模式方法试验在比较中基于相同的模式避免了模式差异（Houtekameraetl,，1996）、，，物理过程的随机模拟方对比较结果的影响但模式过于简单尚不能代（Buizzaetal,，1999）（Houet法及随机全倾向扰动法。

Magnussonealt,（2008）表复杂的大气系统使a,，2006，2008，2010）l等来捕捉与模式相关的不确T255L40ECMWFSV用的集合预报模式比较了L

，。

定性从而弥补单一确定性预报的不足SVBV，法和法发现在热带外地区方法的表现稍集合预报可以通过追踪初始不确定性的时空演，。

Buizzaetal,（2005）好在热带地区则反之比较了，（flow-dependent），变提供依流型的概率分布来提

34372卷第大气科学学报

3200220:

80?

N500hPa（）），5—7、，12，个中心年月位势高世界时下同起始预报使用六日时

，，ECMWF，T63L19（219km）32度场集合预报产品总体而言表现最好水平分辨率约对个集合成员积NCEP10d。

50，CMC，在短预报时效效果好对长预报时效效分到目前已经升级为包括个集合成员每

（00、12），GEFS天两次时时使用可变分辨率模式MeteorologicalOrganization）MO（Word。

Wl的果好15d，0:

10d进行预报即预报运行高分辨率模式THORPEX（theobservingsystemresearchandredipct-T63962（30km），10:

15dT319L62L约预报改用LLabilityexperiment）TIGGE（the科学计划中的计划（km）。

65约THORPEXinteractivegrandglobalensemble）提出了NCEPGEFS，001的建成之初在每天时仅由，TIGGE建立全球交互式大集合预报的思路资料的2。

组正负扰动对产生个集合成员目前集合成员数、交换为各中心预报产品的比较自身技术的改进提2000、06、12，18，已增到个每天和时起报预报时。

供了有价值的信息16d，20102T190效达水平分辨率于年月升级为10GEFS，3余年来个中心的都有了明显的改（km）。

70约，13GEFS进本文第节将介绍有关个中心的发展CMCGEFS95SEF1T的第代仅使用模式L，2、33概况第节分别介绍个中心如何估计初值和（spectralfiniteelementmodel）8对个集合成员积分，4、模式不确定性第节是关于建立多模式多中心集

，5。

合预报系统的进展情况第节是对本文的总结

environ-10d。

1999GEM（global8年月新开发了

mentalmultiscalemodel），由模式中不同的物理参数1发展概况8，化方案产生了另外个成员模式的分辨率是1.875?

。

2007CMCGEFS7年月对进行了一次重1、2、33。

表列出了个中心的详细发展概况自

，SEF，GEM要的升级不再使用模式并将的水平分GEFS，3开始业务化以来个中心就在不断地致力于

，、发展和完善初始和模式扰动方法同时模式分辨率0.9?

，2016d。

辨率提高到对个集合成员进行预报。

集合成员数及预报时效也都有所升级1a3图比较了个中心集合预报的距平相关系ECMWF（、3最初每周仅进行次业务预报周五，10，数每个中心都只取个集合成员进行集合平均ECMWFGEFS1表发展概况

Table1ThedevelopmentoftheECMWFGEFS

/d初始不确定性模式不确定性分辨率预报时效集合成员数起报时次

1992-12T63L1932奇异向量法（SN）VII1996-12T159L311998-03L12UTC1998-1010T159L401999-10L随机参数化2000-11演化奇异T255L40扰动方案L向量法2003-03（SPPT）（EVO-SVINI）T399L622006-02L2006-09T399L62（0:

10）L50T255L62（10:

15）L2009-09修订的随机参数化扰动方案2010-01（revisedSPPT）00UTC;2010-0612UTC15T639L62（0:

10）L集合资料同化修订的随机参T319L62（10:

15）L—奇异向量法数化扰动方案2010-11（EDA-SVINI）和随机补偿方案（revisedSPPT-SPBS）

2NCEPGEFS表发展概况

Table2ThedevelopmentoftheNCEPGEFS

/d初始不确定性模式不确定性分辨率预报时效集合成员数起报时次

1992-12T62L1812200UTC10（00UTC）1994-03T62L284（12UTC）T126L28（0:

2.5）00UTC;2000-0612UTCT62L28（2.5:

16）增殖向量法（BV）T12628（0:

3.5）L2001-01T6228（3.5:

16）L1016T126L28（0:

7.5）2004-03T62L28（7.5:

16）00UTC;2005-0806UTC;2006-0514T126L2812UTC;重新尺度化18UTC2007-03集合转换法20（ETR）随机全倾向2010-02T190L28（STTP）扰动

3CMCGEFS表的发展概况

Table3ThedevelopmentoftheCMCGEFS

/d初始不确定性模式不确定性分辨率预报时效集合成员数起报时次

T95（SEF）1998-028LT95（SEF）;L（PO）1999-08观测扰动法1,875?

（GEM）1000UTC多模式多参数化方案162001-06T149（SEF）;L

1,2?

（GEM）2005-01集合卡尔曼00UTC;多参数化方案和（EnKF）滤波2007-070,9?

（GEM）162012UTC随机参数化过程

CMWF，NCEP。

CMWF（SV）E，E其中的预报效果最好次之但使用奇异向量法来捕捉扰动一原理

ECMWF（BuizzaandPalmer，1995;Molteni的这种优势在一定程度上取决于较高的模增长最快的方向

。

etal,，1996）（SV式分辨率如要比较仅由初始和模式扰动方法提高由于这种是生成在预报的初始时

，1b，SV，SVINI（initialtimeSV）刻为区别于其他的预报技巧可由图中集合平均与控制预报的差以来

，3d，3）。

SVINI，来反映在预报时效小于时个中心的预报效表示是相对于初始模定义的它是通过在

，，CMC，CMC果基本相当之后开始显现优势的多最优时间内向前积分切线性模式再向后积分伴随

，，参数化方案更好地代表了模式不确定性体现了其模式得到在最优间隔内能够达到极大能量增长的

。

，，优越性扰动因此初始模的选取和最优间隔的长度很关键

ECMWF，业务上使用总能量模作为初始模最优间

36h，1994h。

SVI-48隔最初是年后更新为得到的

2初值不确定性NI在相空间中再进行正交旋转及重新尺度化构造。

集合扰动成员由于使用切线性模式和其伴随模式1）ECMWF3，的次数是所需奇异向量数的倍因此需要耗费大，根据非线性动力学的有限时间不稳定理论扰

。

动在相空间的不同方向具有不同的增长率基于这

34374卷第大气科学学报

2008—2009（）500hPa11210022800图年月日时年月日时世界时北半球（a;，）位势高度场的距平相关系数实线为集合平均预报虚线为控制预报

（b）以及集合平均预报与控制预报距平相关系数之差

Fig,1500hPageopotentialheightovertheNorthernHemisphereextra-tropicsfor

a,anomaycorreatonscores（sodnesarellililithewinterof2008—2009

ensembemean;dashnesarecontroforecast）;b,dfferencesofanomayllilil

correlationscoresbetweentheensemblemeanandthceontrolforecast

SV。

EDA，，T42。

量的计算资源所以仅运行的低分辨率模式化的扰动与未受扰动的分析场相加可，，10SVINI，5对于热带外地区两个半球是分别计算奇异向量的生成个扰动分析场然后分别与个合

。

，，50，EDA否则会使夏半球的奇异向量过少在热带地区奇并可得到个集合成员其中由于扰动的振

，SVSVINI，异向量对切线性模式中非绝热物理过程很敏感如幅比原来的演化大所以合并时的振幅

，果计算整个热带地区的奇异向量有时会生成在非etal,（2007）etal,10%。

PalmarBuizza降低和，线性预