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MODE检验在天气预报中的应用研究进展

气象学家  · 公众号  ·  · 2024-03-11 20:23

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潘留杰1,2, 张宏芳2,3, 刘嘉慧敏1,2, 祁春娟1,2, 梁绵1,2, 马丹萌1, 李培荣1,2,

潘留杰 1,2 , 张宏芳 2,3 , 刘嘉慧敏 1,2 , 祁春娟 1,2 , 梁绵 1,2 , 马丹萌 1 , 李培荣 1,2 , 戴昌明 1,2 , 高星星 1,2

(1.陕西省气象台,陕西 西安 710014;2.秦岭和黄土高原生态气象环境重点实验室,陕西 西安 710014;3.陕西省气象服务中心,陕西 西安 710014)

高分辨率数值模式在天气预报中面临巨大挑战,尤其是在中小尺度变量的预报上。随着计算资源的增加和模式的发展,虽然它们提供了更多细节,但也可能导致预报误差。传统检验方法,如基于二分法列联表的评分指数,无法准确反映高分辨率模式的改善,并可能忽视空间结构信息。因此,气象工作者发展了新的空间检验方法,如属性判别法、形变场法、邻域法和尺度分离法,以全面评估预报性能。其中, MODE 检验在降水预报中广受欢迎,它通过比较对象的多属性特征来综合刻画预报表现。 然而,人们对MODE检验的认知主要局限于降水 陕西省气象局潘留杰老师等 一方面总结了 MODE 检验方法的技术架构、更新发展和针对高分辨率 NWP 不同预报要素诊断分析的典型应用;另一方面讨论了 MODE 检验中存在的不足和需要重点关注的问题,同时对未来的发展方向进行了展望,以期为更好地应用 MODE 诊断 NWP 的预报性能提供参考。

结论

MODE 检验是一种基于属性特征的检验方法,用于评估天气预报的性能。它提取并对比预报和观测对象的属性特征,提供类似于预报员主观判断的检验结果。 相似度T(a)作为MODE检验的评价指标,用来比较预报和观测场中降水对象的预报表现,然而,经典MODE检验忽略了降水的时间偏差,也不考虑未匹配对象的影响。新发展的综合评分MCS和引入时间维度的MODE-TD,有助于全面评价预报和观测场中降水对象的整体性能。 MODE 检验在天气预报中有广泛的应用,包括降水检验、以天气雷达为参照的降水性质及雨带检验、云场预报能力评估以及 EPS 系统成员预报能力诊断。尽管 MODE 检验具有诸多优点,但仍然存在一些局限性,如解释结果的主观性和对象识别与匹配的方案依赖。为了克服这些局限性,需要深入了解数值模式和天气过程的动力和热力学过程,并研究和探索适合具体预报要素、用户需求和地理位置的参数设置。本文总结了 MODE 检验的技术框架、更新发展和典型应用,并指出了其局限性及检验结论的合理化应用问题,旨在为更好地应用 MODE 检验提供参考。然而,由于文献量庞大,总结分析中可能有所遗漏,需要进一步深入研究以完善 MODE 检验的应用。

1 不同的预报和观测降水场情景示例(据DAVIS等修改)

a )、( b )和( c )分别表示预报和观测降水面积和形态一致,但是降水空间位置和走向出现偏差;( d )、( e )和( f )分别表示预报和观测降水面积不一致,同时空间位置、走向出现偏差;“ F ”表示预报,“ O ”表示观测



2 MODE 检验降水数据处理示意图

a )原始降水场;( b )降水场卷积;( c )给定阈值降水场提取的目标对象;( d )提取降水对象内部的降水空间分布; A~E 表示提取的降水对象或目标


图3 MODE定义的特征对象不同属性的收益函数表(引自DAVIS等,2006)


4 MODE 检验个例(引自潘留杰等)

a 24 小时的实况观测降水;( b ECMWF 模式预报;( c CMA-Meso 模式预报;( d )、( e )、( f )分别为 CMPA ECMWF CMA-Meso 的暴雨目标对象,( e )和( f )中的数字为预报和观测中降水对象( d )的匹配情况,蓝色填充对象表示预报和观测场中的降水对象未匹配


5 MODE 检验对不同环流形势下不同数值模式降水预报产品的检验(引自潘留杰等,2022)

DWQB XFC FG_XFC XNW 代表 4 种环流分型, SCMOC ECMWF CMA-Meso 代表 3 种降水预报产品;( a )识别降水对象数量的对比;( b )降水对象强度的对比;( c )降水对象面积的对比


6 MODE 检验方法美国卫星云图典型应用个例(引自GRIFFIN等,2017)

a GOES-13 卫星观测;( b HRRRx 模拟红外亮温;( c GOES-13 观测场对象识别结果;( d )模拟场对象识别结果;( c )和( d )中不同的颜色代表不同的目标对象


7 EPS 转换为概率预报目标对象的示意图(引自FLORA等,2019)

色标中分子表示 EPS 成员预报的个数,分母表示 EPS 集合成员总数;( a EPS 成员预报的中尺度气旋对象个数;( b )基于( a )计算的中尺度气旋概率;( c )基于( b )提取的中尺度气旋概率预报对象;( a )中不同的颜色代表 EPS 成员预报个数,与色标中的分子对应;( b )和( c )中填色代表概率,与色标中分数的比值对应


8 时域时间三维追踪检验概念示意图(引自SKOK等,2009)

a ) 时间生命周期 15 小时的降水对象演变;( b )卷积对象椭球体


展望

MODE 检验方法未来的发展和应用主要有:一是 MODE 与其他检验方法的结合,这种结合既包括与传统二分法列联表检验的结合,也包括与邻域法和强度 尺度等类似空间检验方法的结合,进而得到更加全面综合的预报信息。二是多要素和多阈值天气系统对象的识别检验。目前尽管开展了大量 MODE 检验应用研究工作,但总体上基于一个要素的目标对象识别,加入不同要素发展四维或者更多维空间的天气系统识别算法,并进行属性判别,以此诊断 NWP 的预报效果,意义重大。三是在 MODE 方法中引入人工智能,这不仅可以使识别的目标对象能够与人的主观判定更加一致,而且可以基于不同模式的预报结果或者 EPS 的不同成员预报,开展目标对象智能集成,产生更好的后处理订正结果,这可能是未来最主要的发展应用方向。

该文被中国气象局科技与气候变化司评为2023年度优秀气象科技前沿动态研究报告。



【模板说明】


《地球科学进展》是由中国科学院西北生态环境资源研 究院和国家自然科学基金委员会地球科学部联合主办的综合 性、学术性刊物,主编傅伯杰院士。 期刊多年被国家科技部评为中国精品科技期刊,2023年入选中国地学领域高质量科技分级目录T1区,被《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库核心版》(CSCD)、Scopus、EBSCO、美国化学文摘(CA)等国内外重要数据库收录。 发文领域涉及: 地质科学、大气科学、海洋科学、地理科学、环境科学、地球化学、地球物理学和空间科学等。









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