全球集合预报系统综述

孙令东

摘 要：主要介绍集合预报系统的发展，以及目前业务预报中所能获取的主要全球集合模式的系统配置，包括中国T639集合预报模式、ECMWF（欧洲中期天气预报中心）集合预报模式、美国NCEP（国家环境预报中心）和加拿大CMC（加拿大气象中心）集合预报模式。不同用户在根据集合预报结果进行决策时，往往比单一预报得到更多的信息，可以帮助预报员和公众作出更好的决策。

关键词：集合预报系统；集合预报类型；模式配置；集合预报发展

中图分类号：P456 文献标志码：A 文章编号：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 集合预报系统简介

大气具有混沌特性，对于初始场的微小误差高度敏感，这种误差会迅速增长，影响可预报性[1-3]。初始场的误差主要来源于观测（资料在时间和空间上的不完整、代表性有限和测量误差等）及资料同化过程（使用背景误差协方差矩阵时，假设各向同性及缺乏背景误差的信息等）。因此即使假设模式完备，这样的初值也会使预报技巧在几周后降为零。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学和物理上的近似，有限的模式分辨率、不完備的物理参数化方案及边界条件（近似估计粗糙度长度、土壤湿度、雪盖、植被和海表温度）都会带来模式误差，其像初始误差一样，会影响预报技巧。由于数值预报初值存在不确定性，及其本身的近似误差和大气混沌特性，决定天气过程的演变是一个带有不确定性因素在内的随机动力过程，完全用确定性动力学方法是无法完全描述大气的真实演变过程，以集合预报方法为基础的概率预报技术是数值预报发展的本质要求。

集合数值预报是估计数值预报中不确定性的一种方法，其将单一确定性预报转变为概率预报。因此，集合预报的关键在于如何刻画和表征初值不确定性、模式本身不确定性和边界条件不确定性，由此衍生出不同的集合预报技术。早期的集合预报技术主要侧重于初值扰动方法，通过构造不同概率密度（PDF）分布的初始场进行数值积分，从而产生集合预报，这类方法包括经典的Monte Carlo方法、滞后平均法、增长模繁殖法、能量模奇异向量法、观测扰动法、集合转换卡曼滤波和集合转换法等[4-6]。集合预报不但可以估计初始的不确定性，也可以通过多模式方法、物理过程的随机模拟方法及随机全倾向扰动法等来捕捉与模式相关的不确定性，从而弥补单一确定性预报的不足。此外，下垫面的边界的不确定性估计也是集合预报技术研究的方向之一。

2 集合预报发展史

集合预报思想首先由Epstein和Leith提出，大致经历了三个发展阶段。第一阶段是20世纪70～80年代，主要集中于集合预报的理论研究和数值实验；第二阶段是进入上世纪90年代后，随着大规模并行计算机的发展，1992年集合预报系统在美国国家环境中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）投入业务运行，集合预报系统成为这两个中心数值天气预报的重要组成部分，我国的集合预报系统也于2000年前后开始建成；第三阶段是90年代末以来，集合预报广泛应用于日常预报中，研究也更加深入，开始研究模式物理过程扰动、多模式多分析初值的超级集合和热带地区集合预报问题。

近几年来，集合预报系统建设日趋成熟，相关研究成果也为集合预报的理解和应用提供了更为充实的依据，集合应用工作开始全面展开。目前在国外各主要业务预报中心所采用的数值预报产品中，集合预报产品已经成为最重要的组成部分，同时也是提高预报技巧最有效的途径之一。我国在日常预报中开展集合预报的应用工作尚处于起步阶段。

3 集合预报系统类型

通常，集合天气预报系统的类型可以依据时空分辨率来划分，有全球集合预报系统、区域集合预报系统和对流尺度的集合预报系统。全球集合预报系统以全球模式为主体，覆盖全球范围，当前各大主要业务中心的业务全球集合预报系统的水平分辨率最高可达15～30公里，预报时间长达15（或16）天，主要用于提供集合指导预报产品。区域集合预报系统的模式主体是区域模式，主要覆盖某一特定区域，分辨率可达几公里至十几公里，预报时效为1～3天，侧重于要素预报产品。对流尺度的集合预报系统是近些年发展很快的一类模式系统，其对于物理过程参数化要求比较高，重点在于捕捉对流尺度天气活动的不确定性。随着预报精细化和无缝隙需求的不断提升，高性能计算机能力不断提升，全球集合预报系统的分辨率也在不断提高的背景下，区域集合预报系统的发展空间有被逐渐压缩的趋势。

基于上述三类主要的集合预报系统，在各种专业气象服务和环境预报需求的驱动下也相应延伸出各自的集合预报系统，比如海浪集合预报系统、台风/飓风集合预报系统、雾霾/沙尘集合预报系统等。

4 T639全球集合预报系统的模式配置

T639全球集合预报系统是数值天气预报中心原T213系统的升级。采用T639谱模式作为模式主体，模式水平分辨率为0.28125度（约30公里），垂直层数为60层，模式层顶可达0.1百帕。每天进行两次起报（00UTC和12UTC），预报长度为15天。包含控制预报在内，共产生15个集合成员的预报。初始扰动采用增长模繁殖法产生，考虑随机物理过程扰动，系统中中也包含台风模块（采用涡旋重定位和强度调整技术）。

5 ECMWF全球集合预报系统的模式配置

欧洲中期天气预报中心（ECMWF）于1992年12月份建成了全球集合预报业务。目前最新的全球集合预报系统采用集合资料同化-奇异向量法（EDA-SV）产生初始扰动，模式不确定性考虑修订的随机参数化扰动方案和随机补偿方案（Revised SPPT-SPBS）。模式主体采用兩种水平分辨率，10天以内的预报模式主体为T639高分辨率模式，10天以上的预报模式主体采用T319模式，垂直方向到2013年11月达到91层，模式层顶可达0.1百帕。每天进行两次起报（00UTC和12UTC），预报长度为15天。包含控制预报在内，共产生51个集合成员的预报。

6 NCEP全球集合预报系统的模式配置

美国环境预报中心（NCEP）几乎与ECMWF同时，于1992年12月建成了全球集合预报业务。目前最新的全球集合预报系统采用集合卡曼滤波（EnKF）方法产生初值扰动，模式不确性考虑STTP方案。模式主体也是采用两种水平分辨率，8天以内的预报模式主体为T574模式，8天以上的预报模式主体采用T382模式，垂直方向均是64层。每天进行四次起报（00UTC、06UTC、12UTC和18UTC），预报长度为16天，是目前预报长度最长的系统。包含控制预报在内，共产生21个集合成员的预报。

7 CMC全球集合预报系统的模式配置

加拿大气象中心（CMC）于1998年2月建成全球集合预报业务。目前最新的全球集合预报系统采用集合卡曼滤波（EnKF）方法产生初始扰动，模式不确性考虑多参数方案和随机参数化过程方案。系统的水平分辨率为66公里。每天进行两次起报（00UTC和12UTC），预报长度为16天，也是目前预报长度最长的系统。包含控制预报在内，共产生21个集合成员的预报。

参考文献：

[1]毛恒青，王建.集合预报业务使用现状和趋势[J].气象，2000，26（6）：24-29.

[2]李泽春，陈德辉.气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用[J].应用气象学报，2002，13（1）：1-15.

[3]杜钧.集合预报的现状和前景[J].应用气象学报，2002，13（1）：16-28.

[4]皇甫宫雪.国家气象中心集合数值预报检验评价[J].应用气象学报，2002，13（1）：29-36.

[5]杨学胜，Nicolau J，Girardot N.位移和最大相关距离在ECMWF

集合预报产品中的应用[J].应用气象学报，2002，13（1）：37-46.

[6]钱奇峰，张长安，高拴柱，等.台风路径集合预报实时订正技术[J].热带气象学报，2014，30（5）：905-910.

[7]黄小妹，李永兵.天气预报及相关问题研究[J].科技创新与应用，2016（25）：267.