MOS方法及其应用介绍

航空发表于 2010-8-13 20:24:16

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航空发表于 2010-8-13 20:26:33

1 MOS 方法及其应用介绍 邢谦王峰云 （民航华东空管局气象中心，上海，200335） 提要 MOS 方法是传统的数值预报产品统计释用方法，几十年来，在各国气象研究与业务领 域被广泛应用。本文旨在通过对美国数值预报MOS 指导产品的应用状况进行介绍的同时， 与国内民航、气象界的应用状况作简单对比，希望能够抛砖引玉，在国内民航气象数值预报 项目及配套系统启动之前作一些知识积累，对民航气象的业务发展有所帮助。 关键词：MOS 数值预报统计释用航空气象 一、引言 近二十年来，数值预报技术获得很大发展，数值预报产品的分辨率和精度不断提高，预 报时效也不断延长，但是，纯粹的动力预报在天气要素预报水平上仍不能满足业务预报的需 要，而统计释用技术的发展则弥补了数值预报本身的不足，因此，在数值预报的基础上应用 统计释用等方法，实现数值预报产品的定量应用，做“定时、定点、定量”的精细化预报， 是科技、社会发展的必然要求，是当前数值预报业务应用的主旋律。 在众多的统计预报方法中，MOS 方法仍然是目前使用最多、效果较好的动力统计方法， 在国际上被广泛采用。30 多年来，MOS 方法本身不断更新完善，MOS 预报水平不断提高， 为发布天气要素的指导预报做出了巨大贡献，其中，美国NCEP（国家环境预报中心）在运 行NGM、GFS、ETA 等模式的基础上大量开展MOS 方法的预报和研究工作，并提供MOS 预报产品的实时网络分发和对比检验，取得了相当可观的经济和社会效益，其MOS 预报水 平代表了世界先进水平。我国气象部门在20 世纪70~80 年代引入MOS 方法后，从国家级 到县市级台站都大量开展了MOS 预报和试验，积累了丰富的经验。近年来，随着国家数值 预报系统的升级，根据T213L31 全球谱模式产品设计的MOS 预报系统已投入业务运行，每 天面向全国2000 多个地方台站制作发布温、湿、风、云、降水等要素预报，其中，温度、 相对湿度的短期预报具有一定的参考价值。 近年来，我国民用航空业的快速发展对航空气象服务提出了新的要求，迫切需要加快民 航气象服务服务体系的建设。民航气象主管当局表示，今后我国将大力发展民航气象数值预 2 报系统，实现以气象数值预报技术为基础，综合运用航线飞行中各种航空气象信息，最终建 立一套能够提供全球化、客观化、定量化的精细监测预警产品的民航气象业务新体系，并抓 紧把北京航空气象中心建设成世界第三个区域预报中心。因此，对数值预报模式的研究，以 及模式产品的检验与统计释用方法的学习与研究工作必须提上议事日程。 二、MOS 方法介绍 MOS 方法，又称“模式输出统计量”，1972 年由美国气象学家Glahn 和Lowry 提出并 投入短期业务预报应用，业务实践表明，MOS 方法是数值模式预报产品客观释用及制作定 点定量要素预报有效工具，其实现方法如下：把数值预报模式的输出量作为预报因子，并与 预报时效对应时刻的天气实况（预报对象）建立统计关系，实际操作中，一般采用多元线性 回归方法建立预报方程组。作预报时，只要把数值模式输出结果代入所建立的预报方程组， 即可得出气象要素的客观预报信息。 MOS 方法的优点在于，它可以引入许多其他方法难以引入的预报因子，如垂直速度、 涡度等具有显著物理意义的物理量，还可以引入实时地面和浮标观测资料、多种遥感探测资 料、气候背景资料等，进一步提高预报水平。此外，它还能自动修正数值预报模式的系统偏 差，因此，在目前数值预报还不能完全正确的情况下，MOS 方法的预报精度普遍优于PP （Perfect Prognosis）法。 应用MOS 方法也存在一些不足或不便之处。首先，它要求至少有1~2 年的数值预报产 品历史资料作为建立MOS 方程组的样本资料；另外，一旦数值预报模式作了改进或变更， 就会影响到MOS 预报的效果，需要重新推导或修正MOS 方程。 MOS 方法应用的注意事项：1、选用有物理意义的预报因子，是MOS 预报稳定可靠的 关键；2、按季节和地理区域的不同，建立不同的MOS 预报方程，可有效提高MOS 预报的 效果；3、加强MOS 方法与其他预报方法的有机结合。 三、MOS 方法在美国的应用及发展 MOS 一直是美国气象界普遍采用的数值预报产品释用方法。NWS（美国国家气象局） 下属的MDL（气象开发实验室）集中了从事MOS 系统开发的许多专家，为MOS 方法的研 究与应用提供支持；数值预报模式的业务运行及MOS 指导产品的制作则在NCEP 完成。NWS 在其互联网页面上（http://www.nws.noaa.gov/mdl/synop/products.shtml）公布多种模式的MOS 3 预报产品的同时，还致力于在其气象业务平台AWIPS（先进的天气信息交互处理系统）上 开发局地化的MOS 系统，推进MOS 预报在各业务台站的应用。 根据MDL 提供的算法，NCEP 制作了大量 基于AVN、NGM、ETA 等模式的MOS 指导 产品，并通过AWIPS 向美国本土、阿拉斯加、 夏威夷地区等共1000 多个台站发布，见图1。 这些指导产品的数据格式包括文本、BUFR 码、 GRIB 码以及数字化图形等。用户也可以通过 INTERNET 索取资料。 NGM MOS 又称FWC（Forecast Wind & Clouds），1989 年7 月开始运行，以风和云的 预报为主，一天2 次（00、12UTC），产品数量较丰富，包括：最高/最低气温、2 米高度的 温度/露点、平均总云量、风向风速、6/12 小时降水概率、降水量、降雪量、云高、能见度、 视程障碍等，预报时效6-60 小时，预报区域为美国本土及周边地区共500 多个站点。 GFS MOS 又称为MAV（Aviation-based MOS Guidance），设计初衷是作为FWC 的备 份，提供包括美国本土、阿拉斯加、夏威夷、波多黎各、加拿大等共1500 多个台站的指导 预报，一天4 次，预报时效6-72 小时。MAV 预报量是以航空气象逐时观测报告（METAR） 中的天气要素项为参考设定的，包括：最高/最低气温、2 米高度的温度/露点、平均总云量、 风向风速、12/24 小时降水量、12/24 小时降水概率、降水类型（冻雨、冰雪类降水、液态降 水）及各类降水概率、降雪量、能见度、视程障碍等，其中，能见度、视程障碍是MAV 特 有的专为航空用户服务的指导预报，2000 年10 月被加入MAV 指导产品集。MAV 产品被 美国航空气象预报部门等直接应用于机场预报、飞行气象文件的指导和制作，是美国航空气 象业务不可或缺的指导产品。 图1 NGM、AVN、GFS 的MOS 预报站点分布图 图2 NGM MOS、GFS DMO、GFS MOS 2002-2003 年冷季0000UTC 温度平均绝对误差对比图 图3 NGM MOS、GFS DMO、GFS MOS 2002-2003 年冷季0000UTC Heidke 技术评分对比图 4 ETA MOS 简称MET，预报量少于 MAV 和FWC，有最高/最低气温、2 米高度 的温度/露点、平均总云量、风向风速、6/12 小时降水量、6/12 小时降水概率、降雪量等， 只提供美国本土1200 多个台站的指导预报， 一天4 次，预报时效6-72 小时。 由图2、图3 可见，MAV 优于GFS 模 式直接输出量（DMO，Direct Model Output）， 误差也小于FWC。图4 的暖季降水预报TS 评分对比数据表明，MET 预报效果与MAV 相 当或者各有所长，但两者都优于FWC。 目前，美国气象局的MOS 产品都还只是针对单个模式开发的，但在目前单模式MOS 的前提下，MDL、NCEP 等部门还将对MOS 技术作以下改进：  增加MOS 预报站点，如：增加中尺度测站网点和西太平洋测站的MOS 产品；  进一步满足对航空用户的需求：改善云高、能见度、云层、阵风等的预报，提高时间、 空间分辨率；  推广对数字化图形格式MOS 产品的使用；  增强MOS 指导报的客观性，更多、更好地使用MOS 概率预报产品；  将推出“高分辨率”MOS 系统，加入遥感资料、高分辨率地球物理资料，实现任意点 MOS 和网格点MOS，MOS 产品的分辨率将高达2.5-5km;  在现有的MOS 方法中引入更多的科学、技术手段：通过将集合预报统计量作为预报因 子、对独立因子作后处理等手段，在MOS 方法中加入更多的集合预报的色彩；引入模 糊逻辑、神经元网络、贝叶斯统计等方法； 2008 年以后，美国气象局将在其业务运行体制中打破现行的单模式产品MOS 处理方法，全 面实现超级集合预报。 四、MOS 方法在我国航空、气象中的应用及其探讨 20 世纪70 年代以前，我国的天气预报业务基本上采用天气学分析和经验统计的方法。 70~80 年代，随着数值预报及MOS 等统计方法的发展，天气预报指导思想逐步转变。到90 年代后期，随着我国数值预报水平的大幅度提高、计算能力和通信条件的改善，统计预报的 图4 NGM MOS、AVN MOS、ETA MOS 2001 年暖 季0.5 英寸6 小时定量降水预报TS 评分对比图 5 重要性和必要性得到进一步的认识，才真正实现了以数值分析预报产品为基础，综合运用各 种气象信息和预报技术方法的天气预报技术路线。 我国国家气象中心的MOS 预报系统于1985 年10 月投入运行，历经20 年的经验积累 和国家数值预报模式的几次升级调整，现在能够提供全国2000 多个台站的温度、相对湿度、 云量、风、降水及能见度等要素的客观预报，并实现了业务运行。但从实际应用情况看，除 气温、相对湿度等物理量外，其他MOS 指导产品的性能还不能够完全满足实际业务预报的 需要，必须从提高数值预报模式产品精度、完善MOS 算法本身等多方面同时入手，MOS 指导产品才能够在预报业务中发挥更大的作用。 联想到我国民用航空气象主管当局对今后航空气象发展战略的描述：航空气象将大力发 展民航气象数值预报系统，把北京航空气象中心建成世界第三个区域预报中心，为航空气象 客户提供全球、客观、定量的精细监测预警产品。要实现这一目标，首先必须有高质量的数 值模式预报结果，还必须建立起配套的数值预报产品释用统计手段，而MOS 方法是一个很 好的选择，因此，开展适合航空特点的MOS 预报技术研究是我们亟待开展的工作。 五、小结 数值预报技术的发展反映了一个国家或地区现代气象业务水平，而统计方法与数值预报 相辅相成，互相促进，互相补充，是现代气象业务发展的必经之路。 MOS 预报质量的好坏一定程度上取决于数值预报模式直接输出产品（DMO）的精度， 因此，高质量的数值预报模式产品是开展MOS 预报的前提条件。 MOS 预报因子的选取应该着重考虑以下几方面：显著的物理意义、气候背景、地形地 貌特征；此外，增加资料密度、建立多种探测手段、充分利用各种气象资源，对于提高数值 预报水平和统计释用水平都大有帮助；另外，在纯粹的MOS 方法基础上加入模糊逻辑、神 经元网络等先进技术，逐步向综合性集合预报方法发展，最终实现多模式集成的超级集合预 报，这是近年来数值预报及统计应用领域的发展趋势。 目前，中国气象局对温度、湿度等气象要素的短期MOS 预报水平较高，基本能达到或 满足业务要求；降水预报可用性相对偏低，还需要在预报因子的选取、多种探测信息的综合 利用方面加以改进。 为提高我国航空气象服务水准，应尽快建立适合航空气象特点的数值预报模式，并建立 配套的MOS、集合预报等后处理系统，为航空气象客户提供客观、准确的精细化预报。 参考文献 6 1、刘还珠等，国家气象中心气象要素的客观预报,《应用气象学报》，2004 年4 月第15 卷2 期，181-191 页。 2、张华等，利用最近资料改进MOS 预报的方法，《高原气象》，2003 年第22 卷第4 期，127-131 页。 3、龚强，一种制作气象要素预报得MOS 方法，《辽宁气象》，2003 年第2 期，14-15 页。 4、Erickson, Mary C., 1995: NGM-based MOS precipitation type forecasts for the United States. NWS Technical Procedures Bulletin No. 421, NOAA, U.S. Dept. of Commerce, 12 pp. 5、Glahn, H.R., and D.A. Lowry, 1972: The use of Model Output Statistics (MOS) in objective weather forecasting. J. Appl. Meteor., 11, 1203-1211. 6、Dallavalle, J. P., and M. C. Erickson, 2002: Eta-based MOS guidance - The 0000/1200 UTC alphanumeric messages. NWS Technical Procedures Bulletin No. 486, NOAA, U.S. Dept. of Commerce, 8 pp. 7、Dallavalle, J. P., and M. C. Erickson, 2001: AVN-based MOS guidance - The 0600/1800 UTC alphanumeric messages. NWS Technical Procedures Bulletin No. 481, NOAA, U.S. Dept. of Commerce, 9 pp. 8、Dallavalle, J. P., and M. C. Erickson, 2001: AVN-based MOS guidance - The 0000/1200 UTC alphanumeric messages. NWS Technical Procedures Bulletin No. 482, NOAA, U.S. Dept. of Commerce, 12 pp. 9、Dallavalle, J. P., M. C. Erickson, and Joseph C. Maloney, III, 2004:Model output statistics (MOS) guidance for short-range projections. 20th Conference on Weather Analysis and Forecasting/16th Conference on Numerical Weather Prediction，84th AMS Annual Meeting，SESSION 6: MODEL OUTPUT STATISTICS (MOS). An introdutction to the MOS method and it’s applications Xing qian, Wang fengyun (Met. Center of ATMB East, Shanghai, 200335) Abstact MOS (Model Output Statistics) is a traditional method of NWP products interpretation and application,which has been applied widely in meteorolgical research and operation domain in many countries during the past decades. The paper introduces the status of application of MOS method in the USA, and contrasts to the application in China. It’s expected that some valueable ideas are offered to be beneficial to the development of civil aviation meteorology before the starting of CAAC’s NWP project and it’s necessary system. Key word: MOS NWP Statistical interpretation and application aviation meteology

desperado 发表于 2010-9-9 12:27:05

学习学习，好东西

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