《氣象預(yù)報(bào)確定性理論》課件

《氣象預(yù)報(bào)確定性理論》PPT課件氣象預(yù)報(bào)的概念和需求氣象預(yù)報(bào)是指利用科學(xué)的方法，對未來一段時(shí)間內(nèi)大氣的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。氣象預(yù)報(bào)的需求廣泛，涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、交通、航空、水利、能源、環(huán)保、公共安全等。氣象預(yù)報(bào)的誤差來源觀測誤差氣象觀測儀器的不精確性以及觀測過程中的隨機(jī)誤差。模式誤差氣象模式對大氣物理過程的模擬存在局限性和偏差。初始條件誤差對大氣初始狀態(tài)的觀測存在誤差，導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏差逐漸積累。氣象預(yù)報(bào)的確定性理論1數(shù)值預(yù)報(bào)利用大氣運(yùn)動方程和物理方程，通過計(jì)算機(jī)模擬大氣未來演變。2統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)利用歷史氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法建立預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行預(yù)測。3動力-統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，提高預(yù)報(bào)精度。特征方程和邊界條件特征方程描述大氣運(yùn)動的數(shù)學(xué)方程，包括動量方程、質(zhì)量方程、熱力學(xué)方程等。邊界條件大氣運(yùn)動的邊界條件，包括地面邊界條件、側(cè)邊界條件、上邊界條件等。預(yù)報(bào)模型的基本構(gòu)建格點(diǎn)化將大氣劃分為網(wǎng)格，將連續(xù)的物理場離散化。時(shí)間步長根據(jù)模式的穩(wěn)定性條件確定時(shí)間步長，進(jìn)行時(shí)間積分。方程求解利用數(shù)值方法求解特征方程，模擬大氣未來狀態(tài)。初始條件的敏感性分析1初始條件誤差對預(yù)報(bào)的影響會隨著時(shí)間的推移而放大，導(dǎo)致預(yù)報(bào)偏差積累。2敏感性分析通過改變初始條件，分析預(yù)報(bào)結(jié)果的變化，了解初始條件誤差的影響。模型參數(shù)的敏感性分析模型參數(shù)影響氣象模式模擬的物理過程，如輻射參數(shù)、云參數(shù)、湍流參數(shù)等。敏感性分析通過改變模型參數(shù)，分析預(yù)報(bào)結(jié)果的變化，優(yōu)化模型參數(shù)。邊界條件的敏感性分析1邊界條件誤差對預(yù)報(bào)的影響可能較小，但對于特定區(qū)域的預(yù)報(bào)可能影響較大。2敏感性分析通過改變邊界條件，分析預(yù)報(bào)結(jié)果的變化，優(yōu)化邊界條件。氣象預(yù)報(bào)的確定性分析1預(yù)報(bào)技巧利用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)手段，對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正，提高預(yù)報(bào)精度。2預(yù)報(bào)驗(yàn)證評估預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證預(yù)報(bào)模型的有效性。3預(yù)報(bào)誤差分析分析預(yù)報(bào)誤差的來源和特征，改進(jìn)預(yù)報(bào)方法。問題定義與研究目標(biāo)1預(yù)報(bào)誤差研究數(shù)值預(yù)報(bào)模式產(chǎn)生的誤差來源和特性，以及預(yù)報(bào)誤差的統(tǒng)計(jì)和非線性分析。2初始條件分析初始場擾動和邊界擾動對數(shù)值預(yù)報(bào)的影響，探討多模式集合預(yù)報(bào)方法。研究對象和研究方法數(shù)值預(yù)報(bào)模式以常用的數(shù)值預(yù)報(bào)模式（如WRF、GFS）為研究對象，分析其誤差特征和預(yù)報(bào)能力。統(tǒng)計(jì)分析方法利用統(tǒng)計(jì)方法對預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行分析，評估預(yù)報(bào)模式的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。數(shù)值預(yù)報(bào)模式概述數(shù)值預(yù)報(bào)模式的誤差系統(tǒng)誤差由于模式本身的缺陷，導(dǎo)致的預(yù)報(bào)偏差。隨機(jī)誤差由于初始條件誤差、邊界條件誤差等隨機(jī)因素引起的預(yù)報(bào)偏差。預(yù)報(bào)誤差的統(tǒng)計(jì)分析平均誤差衡量預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的平均偏差。均方根誤差衡量預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的平方誤差的均方根。相關(guān)系數(shù)衡量預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的線性關(guān)系。預(yù)報(bào)誤差的非線性分析1混沌理論研究大氣運(yùn)動的非線性特性，分析預(yù)報(bào)誤差的演變規(guī)律。2非線性分析方法利用非線性分析方法，對預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行深入研究。初始場擾動和邊界擾動初始場擾動對預(yù)報(bào)結(jié)果的影響會隨著時(shí)間的推移而放大。邊界擾動對預(yù)報(bào)結(jié)果的影響可能較小，但對于特定區(qū)域的預(yù)報(bào)可能影響較大。多模式集合預(yù)報(bào)分析1多模式集合利用多個(gè)預(yù)報(bào)模式進(jìn)行預(yù)報(bào)，得到預(yù)報(bào)結(jié)果的集合。2集合預(yù)報(bào)分析集合預(yù)報(bào)結(jié)果，評估預(yù)報(bào)的不確定性，提高預(yù)報(bào)精度。確定性預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)技巧1經(jīng)驗(yàn)修正利用歷史預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正。2技術(shù)手段利用各種技術(shù)手段，提高預(yù)報(bào)精度，如模式融合、數(shù)據(jù)同化等。3預(yù)報(bào)檢驗(yàn)通過預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，評估預(yù)報(bào)技巧的有效性。概率預(yù)報(bào)的基本原理1預(yù)報(bào)不確定性由于預(yù)報(bào)誤差的存在，預(yù)報(bào)結(jié)果存在不確定性。2概率預(yù)報(bào)利用概率方法表達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果的不確定性，提供預(yù)報(bào)事件發(fā)生的概率。概率預(yù)報(bào)的應(yīng)用實(shí)踐降水概率預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)特定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生降水的概率。極端天氣預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)極端天氣事件發(fā)生的概率，如強(qiáng)降水、暴雪、龍卷風(fēng)等。概率預(yù)報(bào)的驗(yàn)證方法評分方法使用各種評分方法評估概率預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。檢驗(yàn)指標(biāo)包括Brier評分、ROC曲線、概率預(yù)報(bào)偏差等。確定性和概率預(yù)報(bào)融合優(yōu)勢互補(bǔ)結(jié)合確定性預(yù)報(bào)和概率預(yù)報(bào)的優(yōu)勢，提高預(yù)報(bào)精度和可靠性。融合方法包括多模式集合預(yù)報(bào)、概率預(yù)報(bào)校正、確定性和概率預(yù)報(bào)的融合等。數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢高分辨率提高數(shù)值預(yù)報(bào)模式的空間分辨率，更精細(xì)地模擬大氣過程。數(shù)據(jù)同化利用各種觀測數(shù)據(jù)，提高預(yù)報(bào)初始場的精度。人工智能利用人工智能技術(shù)，改進(jìn)預(yù)報(bào)模式，提高預(yù)報(bào)精度。數(shù)值模式的關(guān)鍵問題1物理過程參數(shù)化對一些難以直接模擬的物理過程進(jìn)行簡化處理。2邊界條件邊界條件的精度直接影響預(yù)報(bào)結(jié)果。3計(jì)算效率提高計(jì)算效率，滿足實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的需求。模式改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)模式物理過程改進(jìn)改進(jìn)對云、降水、輻射、湍流等物理過程的模擬。數(shù)據(jù)同化技術(shù)利用各種觀測數(shù)據(jù)，提高預(yù)報(bào)初始場的精度。高性能計(jì)算采用高性能計(jì)算技術(shù)，提高計(jì)算效率，降低模式運(yùn)行時(shí)間。數(shù)值預(yù)報(bào)的應(yīng)用前景1精細(xì)化預(yù)報(bào)提供更精確的預(yù)報(bào)，滿足不同用戶的需求。2預(yù)警預(yù)報(bào)提前預(yù)警極端天氣事件，減少災(zāi)害損失。3氣候預(yù)測利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式，對未來氣候進(jìn)行預(yù)測。氣象預(yù)報(bào)的未來展望1模式集成融合多個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)模式，提高預(yù)報(bào)精度。2人工智能應(yīng)用利用人工智能技術(shù)，