离差（集合预报离散度）：集合预报离差是控制预 报或确定性的业务预报可靠程度的度量。这是集合预报 最重要的应用。
天气事件发生概率：集合预报可方便地确定某一天 气现象发生的概率。
对极端事件的预报能力：增加了对极端事件的预报 能力。
全球500hPa距平相关系数：ECMWF集合预报平均（绿）、业务模式 TL 511（红）、控制预报TL 255（蓝）和UK碧 中国气象局成都高原气象研究所
本PPT素材主要源自俞小鼎、陈静、邓国、 田华等人的工作
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
1 集合预报的基本概念
5 DAY FORECAST
ECMWF模式 ： 2009年5月11日20点预报5月16日20点500hpa高度场
Spatial graphs: Mean and spread
单点图形
特征路径 (如：台风)
邮票图
同时展示针对给定的变量和预报时效的，所 有集合成员的预报结果。
优点：所有成员结果都可看到。 缺点：太多的信息。
Spatial graphs: Postage stamps
分类图
把预报分类。相似预报归为一组。（根据场 的相关或均方根差等）
用来了解预报的变化情况，不是用来挑选最 好的方案。
(2) 滞后平均法(LAF) :把过去相隔一定时间的一系列模 式格点分析场作为集合预报的系列初始场,由此得到集 合预报。 (3) 增长模培育法(BGM) :是Toth 和Kalnay 提出的一种 方法。选择模式6 h 预报场与同一时刻的分析场之偏差 作为初始扰动。 (4) 奇异向量法(SVs) :基本原理是利用非线性动力学理 论中的有限时间不稳定理论和数值天气预报中同化技术 即切线性和伴随模式,求取切线性模式的奇异值和奇异 向量,最大奇异值对应的奇异向量就是增长得最快的扰 动。
物理过程扰动产生方法
在物理过程参数化中加入随机扰动项 同一物理过程使用不同的参数化方案
集合预报系统结构图
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
3 集合预报可用性的基础
大的集合预报离散度与低的控制预报 技巧相对应；
小的集合预报离散度与高的控制预报 技巧相对应；
集合预报定义：用适当的方法，构造一“族”不同初值的、不同模式 的预报样本，在同一时效做出多个预报“结果”，这一预报“集”就 称为集合数值天气预报，简称“集合预报”，Ensemble Prediction,
多中心集合预报
（日本、英国、欧洲中心）
逐年预报准确率变化曲线
2天预报
4天预报
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
优点：
简洁。 关注重要预报变量的重点阈值。
缺点:
只能预报概率分布的一部分。 可能会掩盖也许会发生的小概率事件。
集合平均和离散图
很简洁，但是有可能滤掉了有用的信息。
集合平均给出所有预报成员的平均。 (平均 已经平滑掉了小的不可预报的特征，保留相 对可预报的大尺度特征。
集合离散: 对不确定性的估计 不同变量，离散度不同。
主要内容
1 集合预报的基本概念 2 扰动产生方法 3 集合预报可用性的基础 4 集合预报主要产品
4 集合预报主要产品
集合预报:
如何概括和抽取最有效的信息？
提取信息，同时意味着我们会失去一些信息 （有可能是很重要的信息）
针对不同问题和需求，我们需要设计 不同的集合预报产品。
主要的图形类型:
空间图形 (固定时间):邮票图，分类图，概率图，平 均离散图，面条图等
a）5天预报（结束时间1995年11月15日）；b）3天预报 （结束时间1995年10月21日）。等高线：5640米。
相空间中的概率密度函数 - 严格求解不可能，集合预报技 术成为一个变通办法
相 空 间 演中 变集 示合 意预 图报 各 成 员
集合预报的两个特征量：均值和离差
集合预报的意义
平均值：集合预报平均值的技巧高于控制预报和其它 集合预报成员的预报技巧。一周以后，均值的预报技巧 甚至超过确定性的业务预报模式的技巧。
集合数值预报基本概念
何谓集合数值天气预报?
传统的数值天气预报每个时效只给出一个预报，认为数值 天气预报是“确定的”；集合数值预报每个时效给出两个 以上的预报，认为数值天气预报是“不确定性的”。
为什么存在“不确定性”？
原因：气象模式（经简化）、气象资料（观测方法局限性） 存在误差、大气系统本身（复杂非线性）；这些因素的共 同影响，就使得数值预报不仅仅存在一种可能（即非确定 的），而且存在着多种可能，是依赖于初始误差密度函数 的、依赖于模式不确定性的概率数值预报。
给出不同预报类型发生的可能性。
500 hPa 高度场 轨迹分类图（57天）: 属于第一 类的成员数为15， 第二类为9，第 三类为9。
超过某个阈值的概率图
对极端事件非常有用。
概率计算：超过某个给定阈值的成员数，比上 成员总数。
prob nthreshold Ntotal
Spatial graphs: Probabilities
(1) 随机扰动法(MCF) :最简单方法是Monte Carlo 随 机扰动法,有不同方式的随机扰动,如将随机值加到格 点场、谱系数或经验正交函数中。缺点是与动力模式 不相协调,从随机扰动产生的初始场要演变成动力不 稳定结构差异较大的大尺度环流,需要较长的时间。 这导致集合成员间的分离度很小,目前较少使用该方 法。
2 扰动产生方法
初始扰动产生方法
随机方法 时间滞后方法 增长模培育法（NCEP方法） 奇异向量方法（ECMWF方法）
初始扰动场的质量好坏直接影响模式预报质量。 初始场扰动方法的基本原则是: (1)扰动场特征与实际分析资料可能的误差分布 较一致,以保证每个初始场都可能代表大气实际 状态。 (2) 每个初始扰动场在模式中的演变方向尽可能 大地发散,以保证预报集合最大可能地包含实际 大气可能状况。