陳超輝 王勇 杜鈞 何宏讓 劉宇迪 姜勇強(qiáng)

（1 國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2 奧地利氣象局，維也納 奧地利 1190； 3 美國(guó)國(guó)家海洋大氣局國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心，美國(guó) 馬里蘭 20740）

0 引言

天氣預(yù)報(bào)能帶來(lái)大量的社會(huì)效益，無(wú)論是極端天氣預(yù)警，還是農(nóng)業(yè)規(guī)劃[1]。目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段是運(yùn)用建立在復(fù)雜數(shù)理基礎(chǔ)上的數(shù)值天氣模式以及各種常規(guī)和遙感技術(shù)獲取的大量觀測(cè)資料通過大規(guī)模超級(jí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。但由于高度非線性大氣運(yùn)動(dòng)所具有的混沌特性，數(shù)值預(yù)報(bào)模式初值的微小誤差或者模式自身誤差都可能導(dǎo)致單一確定性數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況天氣之間存在較大偏差[2]。

為此，27年前歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）[3-4]和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction）[5-6]發(fā)布了人類歷史上首批業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)。隨后，加拿大氣象局MSC（Meteorological Service of Canada）在1996年也開始發(fā)布業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，隨后世界上其他氣象中心，如法國(guó)、英國(guó)、日本、澳大利亞、南非等國(guó)也先后進(jìn)行了跟進(jìn)，中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心也于1996年5月下旬開始著手并建立集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)[7]。發(fā)展至今，集合預(yù)報(bào)不僅用于模式的預(yù)報(bào)過程，即為中短期、月尺度和季節(jié)性時(shí)間尺度提供預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，還用于模式的分析過程，為整個(gè)地球系統(tǒng)提供更好的初始狀態(tài)估計(jì)。大量學(xué)者也針對(duì)其進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)梳理。例如，杜鈞[8]綜合論述了集合預(yù)報(bào)的概念、基本問題與集合預(yù)報(bào)應(yīng)用及發(fā)展前景；孔凡鈾[9]針對(duì)雷暴尺度天氣集合數(shù)值預(yù)報(bào)所面臨的科學(xué)問題、主要構(gòu)造技術(shù)、研究現(xiàn)狀及存在的問題等做了力所能及的探討；李澤椿等[7]回顧了國(guó)家氣象中心集合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)過程、業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成和集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品的解釋與應(yīng)用等；陳靜等[10]系統(tǒng)總結(jié)了集合預(yù)報(bào)概念、系統(tǒng)組成、初始擾動(dòng)理論以及產(chǎn)品解釋與應(yīng)用方面的研究。此外，王晨稀[11]、段明鏗等[12]、麻巨慧等[13]和張涵斌等[14]分別從熱帶氣旋集合預(yù)報(bào)研究、集合預(yù)報(bào)方法研究、NCEP與ECMWF及CMC三家極具代表性的全球集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、區(qū)域集合預(yù)報(bào)擾動(dòng)方法研究等不同視角梳理了集合預(yù)報(bào)的工作進(jìn)展。

總體而言，這些文獻(xiàn)主要聚焦集合預(yù)報(bào)初始擾動(dòng)技術(shù)、模式擾動(dòng)技術(shù)、多模式集合預(yù)報(bào)、集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品與檢驗(yàn)等方面，理論歸納相對(duì)較多，而專門針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用的相對(duì)較少；再者，對(duì)于歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，行業(yè)內(nèi)注意力幾乎全部集中在歐洲全球中期業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，而對(duì)于歐洲范圍內(nèi)的有限區(qū)域高分辨集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)關(guān)注甚少；此外，還存在一個(gè)重要的事實(shí)，即歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)相比世界其他氣象中心的業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)存在明顯的優(yōu)勢(shì)，并將這種優(yōu)勢(shì)奇跡般地保持至今。基于上述背景分析，從業(yè)務(wù)發(fā)展與應(yīng)用角度進(jìn)行歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)歸納并梳理（包括全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)與有限區(qū)域高分辨業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)）顯得十分必要。作者認(rèn)為研究與借鑒歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)的發(fā)展思路，不僅對(duì)集合預(yù)報(bào)理論創(chuàng)新有幫助，還對(duì)開展集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)有重要意義。

本文包括以下3 部分內(nèi)容：第1 部分是關(guān)于ECMWF全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)歷史沿革及發(fā)展概況；第2部分描述歐洲主要國(guó)家的有限區(qū)域高分辨業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)；最后一部分概要介紹歐洲集合預(yù)報(bào)的動(dòng)態(tài)，仍存在的問題、挑戰(zhàn)及未來(lái)方向。

1 ECMWF全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)歷史沿革及發(fā)展概況

ECMWF作為一個(gè)具有廣泛影響力的世界氣象中心，如何客觀看待其發(fā)展，十分重要。當(dāng)前大部分的注意力主要集中于集合預(yù)報(bào)理論與方法總結(jié)，本節(jié)內(nèi)容以一種全新的視角看待歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)的發(fā)展，即從集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)整體升級(jí)的角度進(jìn)行探討。歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)狹義上是指歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的全球中期業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，它的出現(xiàn)使得預(yù)報(bào)員和用戶不僅能夠獲得未來(lái)大氣狀態(tài)，還能針對(duì)未來(lái)大氣可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行可靠性與準(zhǔn)確性估計(jì)。其發(fā)展、實(shí)施與運(yùn)維主要?dú)w功于ECMWF及其成員國(guó)許多人的工作，也歸功于多年來(lái)與ECMWF一起工作以了解其性能并進(jìn)一步提高集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平的世界各國(guó)訪問學(xué)者的工作。這里主要以業(yè)務(wù)系統(tǒng)配置升級(jí)為主線，討論ECMWF如何從1992年第1次集合預(yù)報(bào)開始，發(fā)展到今天的水平，包括集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的五個(gè)關(guān)鍵特征，即用來(lái)模擬初始不確定性的方法、用來(lái)模擬模式不確定性或模式近似的方法、集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)水平和垂直分辨率、預(yù)報(bào)時(shí)效、集合預(yù)報(bào)成員個(gè)數(shù)。

表1給出了從1992年11月至2019年6月的ECMWF全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵特征隨時(shí)間的升級(jí)演變，易知ECMWF集合預(yù)報(bào)進(jìn)行了數(shù)次升級(jí)。第1列表示配置升級(jí)時(shí)間，第2列表示系統(tǒng)升級(jí)特征的關(guān)鍵字描述，第3列至第8列分別為刻畫初值不確定性的初始擾動(dòng)關(guān)鍵特征：水平分辨率、垂直層數(shù)、用于計(jì)算奇異向量的最優(yōu)時(shí)間間隔、優(yōu)化區(qū)域、前區(qū)增長(zhǎng)不確定性和后區(qū)增長(zhǎng)不確定性的模擬方法。第9列至第15列代表預(yù)報(bào)階段的系統(tǒng)關(guān)鍵特征：水平分辨率、垂直層數(shù)、預(yù)報(bào)時(shí)效（以d為單位）、集合成員個(gè)數(shù)、模式不確定性處理方法、與海洋模式耦合以及回報(bào)套件的規(guī)模（以成員和年份為度量單位）等。

件20a 20a 20a 20a 20a 20a 套報(bào)NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO回耦合否NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO是HOPE from d10 1×5×18a HOPE from d10 1×5×18a HOPE from d10 1×5×18a HOPE from d10 1×5×18a NEMO from d0 2×11×NEMO from d0 2×11×置 性配式定模確NO統(tǒng)NO NO NO NO NO NO STP STP STP STP STP STP STP STP STP STP revSTP revSTP系不revSTP revSTP報(bào)預(yù)和 成個(gè)員數(shù)33 33 33 33 33 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 51 revSTP+BS HOPE from d10 1×5×18a 51 revSTP+BS NEMO from d10 1×5×18a 51 revSTP+BS NEMO from d10 1×5×20a 51 revSTP+BS NEMO from d0 1×5×20a 51 revSTP+BS NEMO from d0 2×11×51 revSTP+BS NEMO from d0 2×11×51 revSTP+BS NEMO from d0 2×11×51 revSTP+BS NEMO from d0 2×11×51 51計(jì)性估報(bào)效預(yù)時(shí)定10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 10 d 15 d 15 d/32 d 確15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/32 d 15 d/46 d 15 d/46 d 15 d/46 d 15 d/46 d 15 d/46 d 15 d/46 d 不式層模垂直L19 L19 L19 L19 L19 L31 L31 L31 L40 L40 L40 L40 L40 L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L62 15) L91 15) L91 45) L91 45) L91 45) L91 45) L91 45) L91化 變格平T63 T63要T63 T63 T63主TL159 TL159水TL159 TL159 TL255 TL255 TL255 TL255 TL399配的置報(bào)預(yù) 性距合區(qū)定后確集不SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI SVINI TL399(0～10)/TL255(10～SVINI TL399(0～10)/TL255(10～SVINI TL399(0～10)/TL255(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～10)/TL319(10～SVINI TL639(0～15)/TL319(15～SVINI TL639(0～15)/TL319(15～SVINI TL639(0～15)/TL319(15～SVINI TL639(0～15)/TL319(15～SVINI TL639(0～15)/TL319(15～務(wù)業(yè) 性區(qū)定球前確NO NO NO NO NO 1 ECMWF全EDA）不Table 1 Time evolution of some key characteristics of the ECMWF operational global medium-range ensemble (OG-ENS) between inception (November 1992) and today (June 2019)SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO SVEVO 10*EDA 10*EDA 10*EDA 10*EDA 25*EDA 25*EDA 25*EDA 25*EDA 25*EDA 25*EDA 50*EDA（SVs和globe 化域計(jì)優(yōu)區(qū)NHx NHx NHx估(NH+SH)x(NH+SH)x(NH+SH)x(NH+SH)x(NH+SH)x(NH+SH)x表性定(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC(NH+SH)x+TC確不始化隔優(yōu)間36 h 36 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48 h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h 48h初直數(shù)垂層L19 L19 L19 L19 L19 L31 L31 L31 L40 L40 L40 L40 L40 L62 L62 L62 L62 L62 L62 L62 L62 L62 L91 L91 L91 L91 L91 L91 L91 平率水辨分T21 T21 T21 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42 T42述描字鍵關(guān)Oper Impl SV LPO SV OTI SV hor resol NH+SH SV resol/mem EVO SV Stoch sch SPPT vert resol FC hor resol TC SVs sampling rev sampl resolution VAREPS VAREPS mon Rev SPPT hor resol EDA EPS Rev Stoch scheme New ocean model Rev EDA-pert & refc suite vert resol & coupling from d0 Extension to 46d and REFC suite to 22m T42 hor resol Ocean (Horizontal & vertical)Rev EDA Model error changes Rev DA /mem月/年 間時(shí)199212 199302 199408 199503 199603 199612 199803 199810 199910 200011 200201 200409 200506 200602 200609 200803 200909 201001 201006 201011 201111 201206 201311 201505 201603 201611 201707 201806 201906

由表1知，1992年12月ECMWF正式開展集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，集合預(yù)報(bào)一周運(yùn)行3次，即每周五、周六、周日00時(shí)（世界時(shí)，下同）開始運(yùn)行，初值擾動(dòng)范圍覆蓋全球，初值不確定性僅采用初始奇異向量模擬，其水平與垂直分辨率分別為T21和L19，奇異向量計(jì)算優(yōu)化時(shí)間間隔為36 h，初始擾動(dòng)集合正負(fù)成對(duì)分布；在預(yù)報(bào)階段，預(yù)報(bào)模式分辨率為T63L19 （約320 km），預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為10 d，系統(tǒng)包括33個(gè)集合成員，不考慮模式不確定性、不考慮與海洋或海冰模式耦合，也不考慮回報(bào)套件。1993年2月，為了處理奇異向量主要集中在南半球的問題，ECMWF引入了局地投影運(yùn)算算子（Local Projector Operator，LPO），使得奇異向量分布在北半球，這對(duì)北半球集合預(yù)報(bào)的可靠性有重大影響。1994年8月，ECMWF為了改善集合離散度，計(jì)算奇異向量的優(yōu)化時(shí)間間隔（optimization time interval，OTI）從36 h增加到48 h，從而改善了超出OTI以外的擾動(dòng)增長(zhǎng)，并從1994年5月1日起，于每日00時(shí)生成一次集合預(yù)報(bào)。1995年3月，ECMWF計(jì)算SVs的水平分辨率提高到T42，水平分辨率的提高改善了擾動(dòng)增長(zhǎng)，從而提高了集合預(yù)報(bào)的可靠性。1996年3月，ECMWF為解決南半球的擾動(dòng)增長(zhǎng)，引入了一套新SVs，它對(duì)南半球的集合預(yù)報(bào)可靠性有重大影響。1996年12月，集合預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)階段模式分辨率提高到TL159L31（約120 km），成員個(gè)數(shù)從33個(gè)增加到51個(gè)。1998年3月，ECMWF開始引入演化SVs[15]（Evolved Singular Vectors，簡(jiǎn)稱EVO SVs），演化SVs主要模擬起報(bào)時(shí)間前兩天的誤差增長(zhǎng)效果，實(shí)踐表明初始SVs加入演化SVs能夠改善集合預(yù)報(bào)離散度，尤其在較短預(yù)報(bào)時(shí)效范圍內(nèi)效果顯著。1998年10月，ECMWF開始考慮與物理參數(shù)化相聯(lián)系的模式不確定性問題，引入了隨機(jī)擾動(dòng)參數(shù)化傾向方案[16]（Stochastic Perturbed Parameterization Tendency，SPPT），這種方案在整個(gè)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度范圍內(nèi)，對(duì)改善集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)離散度和可靠性有顯著效果，尤其是在熱帶地區(qū)。1999年10月，計(jì)算SVs的模式垂直層數(shù)從31層增加到40層。

2000年11月，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)水平分辨率從TL159提高到TL255（約80 km）。2002年1月，ECMWF增加了容易出現(xiàn)熱帶低氣壓的熱帶地區(qū)SVs，效果表明這種方案能夠改善熱帶地區(qū)的集合離散度，尤其在出現(xiàn)熱帶風(fēng)暴的天氣背景下。2004年9月，ECMWF在集合預(yù)報(bào)初始擾動(dòng)生成階段采用的采樣策略更改為高斯采樣[17]，并于2005年6月改進(jìn)了高斯采樣方法。2006年2月，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)水平分辨率開始從TL255L40提高到TL399L62（約60 km）。2006年9月，ECMWF基于可變分辨率集合預(yù)報(bào)（Variable Resolution Ensemble Prediction System，VAREPS）思路[18]將集合預(yù)報(bào)長(zhǎng)度延至15 d，即在第10天預(yù)報(bào)模式分辨率從TL399切換至TL255。2008年3月開始，ECMWF基于VAREPS技術(shù)將中期集合預(yù)報(bào)與月尺度集合預(yù)報(bào)進(jìn)行合并；在這以前，這兩個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)一直獨(dú)立運(yùn)行。新合并系統(tǒng)針對(duì)短時(shí)效的小尺度和惡劣天氣事件，以及15 d的大尺度預(yù)報(bào)提供每天2次運(yùn)行；而對(duì)于預(yù)報(bào)長(zhǎng)度達(dá)到32 d的大尺度預(yù)報(bào)每周1次運(yùn)行[18-19]。此外，從第10天開始，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)與動(dòng)力海洋模式HOPE（Hamburg Ocean Primitive Equation）相耦合，同時(shí)引入1個(gè)每周1次運(yùn)行的由5個(gè)集合成員組成的過去18年的集合預(yù)報(bào)回報(bào)套件。平均結(jié)果表明，使用這種新的組合系統(tǒng)，溫帶地區(qū)的月預(yù)報(bào)得分略高。特別是新系統(tǒng)能對(duì)極端事件產(chǎn)生更好的月尺度預(yù)測(cè)，如2003年歐洲熱浪或2007年英格蘭的潮濕夏季。然而，熱帶地區(qū)的月預(yù)報(bào)得分略低于以前的系統(tǒng)，很可能是因?yàn)樵陬A(yù)報(bào)的前10 d缺乏海洋大氣耦合。2009年9月，ECMWF修正了隨機(jī)模式誤差方案。

2010年1月，ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)階段模式水平分辨率在前10 d從TL319增加到TL639 （約35 km），從第10天到第32天的水平分辨率從TL255增加到TL319（約70 km）。2010年6月，ECMWF在集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中引入了一組由10個(gè)集合數(shù)據(jù)同化成員構(gòu)成的新型初始擾動(dòng)，并取代了演化SVs，效果表明基于集合數(shù)據(jù)同化的擾動(dòng)能夠改善與資料同化循環(huán)相聯(lián)系的擾動(dòng)刻畫，從而導(dǎo)致集合離散度提高，且在短期預(yù)報(bào)時(shí)效與熱帶地區(qū)的效果尤其明顯。2010年11月，刻畫模式誤差方面，ECMWF引入了第二種方案，即采用隨機(jī)動(dòng)能后向散射方案SKEB方案[20]（Stochastic Kinetic Energy Backscatter）來(lái)模擬次網(wǎng)格尺度能量升尺度轉(zhuǎn)換過程中存在的不確定性。2011年11月，ECMWF引入了新的海洋模式，即選用分辨率為1°（約100 km）的NEMO（the Nucleus for European Modelling of the Ocean）取代了HOPE模式，集合預(yù)報(bào)長(zhǎng)度延長(zhǎng)至32 d，并且每周開始運(yùn)行2次（每周一和周四00時(shí)）。2012年6月，ECMWF對(duì)基于集合數(shù)據(jù)同化的擾動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)，引入了近地面變量擾動(dòng)，并且回報(bào)套件被擴(kuò)大到涵蓋過去20年。2013年11月，初始擾動(dòng)計(jì)算階段，模式垂直層數(shù)從62層增加到91層，集合預(yù)報(bào)階段與海洋模式耦合也從第10天移到了第0天，使得熱帶地區(qū)天氣現(xiàn)象預(yù)測(cè)效果取得重大進(jìn)步，例如MJO（Madden-Julian Oscillation）現(xiàn)象。2015年5月，集合預(yù)報(bào)時(shí)間長(zhǎng)度從32 d延長(zhǎng)到46 d，回報(bào)套件擴(kuò)大到每周2次 （每周一和周四00時(shí)）運(yùn)行的涵蓋過去20年的11個(gè)成員集合預(yù)報(bào)。2016年3月，第1天至第15天，集合預(yù)報(bào)模式分辨率提高到了TCo639L91（立方八面體網(wǎng)格，約18 km），從第15天到第46天，模式分辨率增加到了TCo319L91（約36 km）。2016年11月，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)所使用的海洋模式分辨率從1°提高到0.25°（約25 km），垂直層數(shù)從42層增加到75層，并且引入了交互式海冰模式LIM2，使得海冰覆蓋能夠動(dòng)態(tài)演變。同時(shí)針對(duì)SPPT方案中擾動(dòng)傾向進(jìn)行了全局修正，以改善全局動(dòng)量、能量和濕度守恒特性。2017年7月，ECMWF改善了來(lái)自集合數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的濕度背景誤差方差，修正了背景誤差方差小波濾波，并為了改善熱帶氣旋結(jié)構(gòu)改進(jìn)了4DVAR中下投式探空儀風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)的質(zhì)量控制。另外，預(yù)報(bào)模式采用了具有較低噪聲和更精確的新型高效長(zhǎng)波輻射傳輸方案，對(duì)流方案也在較低溫度（低至-38 ℃）下增加過冷水。2018年6月，ECMWF在高分辨率（HRES 4d-Var）和集合數(shù)據(jù)同化分析表面分析中應(yīng)用了海冰-大氣弱耦合同化，計(jì)算相對(duì)濕度增量采用溫度而不再使用虛擬溫度。同時(shí)為避免模式積分受到?jīng)_擊，模式誤差弱約束強(qiáng)制應(yīng)用于每個(gè)時(shí)間步，而不是每個(gè)小時(shí)。模式誤差方面，SPPT方案再次做了修改，通過減少晴空區(qū)離散度、激活平流層傾向擾動(dòng)，改進(jìn)了“流相關(guān)”誤差表示，SPPT擾動(dòng)模態(tài)的振幅減小（20%）。同時(shí)集合數(shù)據(jù)同化采用了與集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)一樣的 SPPT方案，停用了隨機(jī)動(dòng)能后向散射SKEB方案，從而節(jié)約了集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)2.5%的計(jì)算成本。2019年6月，ECMWF系統(tǒng)采用連續(xù)數(shù)據(jù)同化，4D-Var外循環(huán)數(shù)量從3層增加到4層，集合數(shù)據(jù)同化成員也從25個(gè)增加到50個(gè)。集合數(shù)據(jù)同化離散度被應(yīng)用于計(jì)算簡(jiǎn)化擴(kuò)展卡爾曼濾波的土壤分析雅可比矩陣；熱帶區(qū)域海面溫度也引入了弱耦合數(shù)據(jù)同化。改進(jìn)了對(duì)流方案（夾卷、CAPE閉合、淺對(duì)流），考慮了輻射方案中的長(zhǎng)波散射過程。集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于50個(gè)集合數(shù)據(jù)同化成員生成初始擾動(dòng)。集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的輻射時(shí)間步長(zhǎng)從3 h減少到1 h，與HRES一致。

以上內(nèi)容僅從業(yè)務(wù)配置升級(jí)方面簡(jiǎn)要概括了歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)的發(fā)展過程。本質(zhì)上看，計(jì)算成本是驅(qū)動(dòng)集合預(yù)報(bào)升級(jí)的關(guān)鍵因素。從1992年12月至2019年6月，預(yù)報(bào)階段主要變化包括：水平分辨率增加了20倍，從大約320 km增加到大約16 km；垂直分辨率幾乎增加了5倍，從19個(gè)垂直層增加到91個(gè)垂直層；預(yù)測(cè)時(shí)間從10 d延長(zhǎng)到了46 d[21]；集合成員個(gè)數(shù)從33個(gè)增加到51個(gè)；集合預(yù)報(bào)制作的頻率也有所增加，當(dāng)前還開展集合預(yù)報(bào)回報(bào)業(yè)務(wù)。另外在將近27年的ECMWF配置升級(jí)時(shí)間軸上，還有一些值得重視的特點(diǎn)：

1）盡管ECMWF越來(lái)傾向基于集合數(shù)據(jù)同化開展集合預(yù)報(bào)，但SVs在未來(lái)幾年不太可能被移除。換言之，SVs一直貫穿ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)始終直到今天。在ECMWF全球集合預(yù)報(bào)第1個(gè)版本中，采用奇異向量模擬初始不確定性。奇異向量提供了一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)，直到2008年開始使用集合數(shù)據(jù)同化與奇異向量耦合[22]之前，奇異向量是ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中唯一使用的初始擾動(dòng)方法。即便到如今，SVs仍然是ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因?yàn)樗懿粩嗵峁╆P(guān)于初始不確定性的動(dòng)力相關(guān)信息。2008年添加了基于集合數(shù)據(jù)同化的擾動(dòng)后，系統(tǒng)能夠改善與觀測(cè)系統(tǒng)特性（觀測(cè)誤差、覆蓋范圍、可擴(kuò)展性）相關(guān)的初始誤差模擬，并自2008年開始，ECMWF 集合數(shù)據(jù)同化與SVs一直結(jié)合使用，以確定中期/月尺度集合預(yù)報(bào)的初始條件。

2）刻畫模式不確定性的方案選用主要以業(yè)務(wù)效果評(píng)估為基準(zhǔn)。1999年，ECMWF以加拿大[23]為樣例，在集合預(yù)報(bào)中引入了一個(gè)旨在模擬模式不確定性的隨機(jī)方案SPPT方案[16]。2010年，ECMWF還引入了隨機(jī)動(dòng)能反向散射方案SKEB方案來(lái)模擬模式無(wú)法解析的過程，即模擬從低于模式分辨率的尺度到模式可分辨尺度的升尺度能量轉(zhuǎn)移，該方案事后被證明不能帶來(lái)任何顯著的好處，于2018年關(guān)閉。可見ECMWF在系統(tǒng)應(yīng)用新型理論方面不只做加法，也做減法，一切以業(yè)務(wù)效果檢驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)。

3）致力于中期、月尺度、季節(jié)內(nèi)尺度和季節(jié)尺度集合預(yù)報(bào)的融合統(tǒng)一與無(wú)縫隙。通過使用可變分辨率方法[18-19]和降低超過中期集合預(yù)報(bào)的模式分辨率，ECMWF能夠生成預(yù)報(bào)長(zhǎng)度更長(zhǎng)、對(duì)集合性能影響最小的月尺度業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，即實(shí)現(xiàn)中期集合預(yù)報(bào)與月尺度集合預(yù)報(bào)合并。通過進(jìn)一步降低分辨率，能夠生成業(yè)務(wù)使用的季節(jié)尺度集合預(yù)報(bào)[24]。同時(shí)由于提取延伸期的可預(yù)測(cè)信號(hào)非常困難，ECMWF對(duì)這些集合預(yù)報(bào)補(bǔ)充了集合預(yù)報(bào)回報(bào)套件，這些回報(bào)集合通常是較小成員規(guī)模的集合，其配置除了集合大小之外，其余均與過去幾十年生成的業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)相同。值得記住的是，2006年中期集合預(yù)報(bào)延長(zhǎng)至15 d，2008年集合預(yù)報(bào)加入月尺度集合預(yù)報(bào)并延長(zhǎng)至32 d，2015年該預(yù)報(bào)時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至46 d。

4）集合預(yù)報(bào)質(zhì)量方面穩(wěn)步提升。由于模式不斷升級(jí)、數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)不斷改進(jìn)、更多觀測(cè)數(shù)據(jù)被使用，以及上述集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)配置的變化，ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)性能在過去27年中有了顯著提高。圖1是從1995年1月至2017年6月北半球500 hPa位勢(shì)高度集合預(yù)報(bào)技巧隨時(shí)間的演變[21]。通過集合預(yù)報(bào)與業(yè)務(wù)分析值進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用CRPSS度量，它是將集合預(yù)報(bào)的連續(xù)分級(jí)概率評(píng)分CRPS與參考預(yù)報(bào)（如氣候態(tài)）進(jìn)行比較。對(duì)于完美預(yù)報(bào)而言，CRPSS的值為1，值越大，代表技巧越高；而對(duì)于只與氣候態(tài)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)具有相同技巧的預(yù)報(bào)，則CRPSS值為零。由圖1可知，對(duì)于刻畫自由大氣大尺度特征的500 hPa位勢(shì)高度，集合預(yù)報(bào)每10年提高約1.5 d。例如，2017年的5 d預(yù)報(bào)技巧（綠線）和2001年的3 d預(yù)報(bào)技巧（紅線）相當(dāng)，表示在這16年期間，可預(yù)測(cè)性增加了約2 d。此外，圖1中每條曲線的波峰和波谷呈現(xiàn)出有規(guī)律的形態(tài)，主要是因?yàn)榧项A(yù)報(bào)技巧與季節(jié)相關(guān)導(dǎo)致的，其中冬季天氣往往比夏季天氣更容易預(yù)報(bào)。

圖1 1995年1月—2017年6月北半球500 hPa位勢(shì)高度集合預(yù)報(bào)CRPSS隨時(shí)間的演變（參考數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)分析值，預(yù)報(bào)時(shí)間為24 h、72 h、120 h、168 h和240 h） Fig. 1 Time evolution, from 1 January 1995 to 1 June 2017, of the Continuous Ranked Probability Skill Score (CRPSS) of ENS forecasts of 500 hPa geopotential height over the northern hemisphere, for lead times of 24 h, 72 h, 120 h, 168 h and 240 h. Forecasts are verified against operational analyses

5）各關(guān)鍵特征的刷新周期不同。表1中的參數(shù)概括了ECMWF集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要特征，這些參數(shù)主要針對(duì)初始不確定性估計(jì)與模式不確定性估計(jì)及集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)配置兩大類。從表1可知，ECMWF產(chǎn)生中期預(yù)報(bào)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通常每年至少升級(jí)1次，與此不同，用于支撐月尺度或季節(jié)尺度的回報(bào)套件只是偶爾升級(jí)，間隔4～6 a，這種緩慢的刷新一部分是因?yàn)樾枰罅炕貓?bào)結(jié)果才能完成預(yù)報(bào)訂正，另一部分是為了向用戶提供長(zhǎng)期而穩(wěn)定的服務(wù)。此外，表中歸類的初始不確定性與模式不確定性估計(jì)及集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)配置兩個(gè)階段，其技術(shù)研發(fā)與配置升級(jí)相互獨(dú)立。例如，刻畫初始不確定性時(shí)，垂直分辨率刷新頻率較快，從19層起，31層、40層、62層到91層，而水平分辨率，從T21提高到T42，不再變化；奇異向量計(jì)算優(yōu)化間隔從36 h增加到48 h也不再變動(dòng)；相反在集合預(yù)報(bào)階段，水平和垂直分辨率均根據(jù)需要及時(shí)刷新。還可發(fā)現(xiàn)初始擾動(dòng)生成方面存在一條理論主線，即從純粹的初始奇異向量，再到初始奇異向量與演化奇異向量相結(jié)合，最終到奇異向量與集合資料同化相結(jié)合，即集合預(yù)報(bào)與資料同化一體化。

2 歐洲范圍內(nèi)主要有限區(qū)域業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展與概況

歐洲集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展至今，在世界范圍內(nèi)具有廣泛影響力。當(dāng)前業(yè)務(wù)部門和預(yù)報(bào)員的注意力主要聚焦在歐洲中心中期或全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)，其實(shí)早在1993年，針對(duì)潛在惡劣天氣的興趣，在已有的歐洲有限區(qū)域模式工作組EWGLAM（European Working Group on Limited Area Modelling）聯(lián)系基礎(chǔ)上成立了短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)工作組SRNWP（Short Range Numerical Weather Prediction）。且SRNWP項(xiàng)目從成立時(shí)起，就成了歐洲有限區(qū)域模式聯(lián)盟（短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式主要研發(fā)實(shí)體單位）相互之間進(jìn)行合作的主要載體，并從2000年開始，該項(xiàng)目一直在歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)EUMETNET（European Meteorological Services Network）領(lǐng)導(dǎo)下開展工作。這些數(shù)值天氣預(yù)報(bào)聯(lián)盟包括ALADIN （Aire Limitée Adaptation dynamique Développement InterNational）、COSMO（Consortium for Small-scale Modeling）、HIRLAM （High Resolution Limited Area Model）、LACE（Limited Area Modelling in Central Europe）項(xiàng)目和英國(guó)氣象局。同時(shí)鑒于有限區(qū)域高分辨集合預(yù)報(bào)對(duì)于提高災(zāi)害性強(qiáng)天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有重要價(jià)值，以及探討歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)框架的完整性，本節(jié)內(nèi)容主要從業(yè)務(wù)角度梳理歐洲范圍內(nèi)有限區(qū)域業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展概況，下面分別從SRNWP-PEPS和SRNWP-EPS兩個(gè)項(xiàng)目以及歐洲主要有限區(qū)域業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)展開。

2.1 SRNWP-PEPS 短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)“窮人”集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在歐洲，區(qū)域模式早期研發(fā)主要由4個(gè)聯(lián)盟組織：HIRLAM、ALADIN、COSMO和英國(guó)氣象局，而每個(gè)聯(lián)盟都有自己的有限區(qū)域模式，這些模式都是當(dāng)今短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域的最新技術(shù)代表，已被20多個(gè)國(guó)家氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。因此，客觀存在使用不同模式參數(shù)化、不同資料同化技術(shù)和不同網(wǎng)格分辨率以及不同區(qū)域的多種業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)，并且這些預(yù)報(bào)結(jié)果都是合理的，這就給預(yù)報(bào)員帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，即如何有效利用現(xiàn)有各種業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。

2002年，德國(guó)氣象局產(chǎn)生了將所有可用高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)收集起來(lái)開展“窮人”集合預(yù)報(bào)的想法，理論上可以將來(lái)自不同聯(lián)盟的區(qū)域模式短期預(yù)報(bào)融合成一個(gè)在預(yù)報(bào)預(yù)警過程中效果更優(yōu)的多模式集合預(yù)報(bào)。因此在歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)理事會(huì)會(huì)議上，建議在歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)的框架下啟動(dòng)SRNWP-PEPS[25]工程，其主要目標(biāo)之一就是對(duì)“窮人”集合預(yù)報(bào)進(jìn)行評(píng)估，以確定它能否為預(yù)報(bào)預(yù)警提供重要支撐和改進(jìn)。2003年6月，歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)SRNWP項(xiàng)目主任Quiby邀請(qǐng)歐洲國(guó)家的氣象局參加，并啟動(dòng)了該計(jì)劃。2004年底，德國(guó)氣象局建立了SRNWP-PEPS業(yè)務(wù)，包括累積總降水量、累積總降雪、最大10 m風(fēng)速、最大10 m陣風(fēng)速度、最高和最低2 m溫度，一天四次（00，06，12和18時(shí)） 。到2006年，20多個(gè)氣象服務(wù)部門（表略）已經(jīng)加入了該計(jì)劃，最終40個(gè)確定性和概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品被分發(fā)給各貢獻(xiàn)成員。

SRNWP-PEPS的主要處理方法是將單個(gè)模式預(yù)報(bào)直接插值到一個(gè)參考網(wǎng)格上，即PEPS網(wǎng)格，間距為0.0625°（約7 km），與德國(guó)氣象局模式范圍接近，覆蓋歐洲（30°W—30°E，35°N—70°N）區(qū)域，見圖2。在每個(gè)PEPS網(wǎng)格點(diǎn)上，針對(duì)集合成員使用最近鄰方法計(jì)算超過某一閾值的概率。由于每個(gè)預(yù)報(bào)成員具有不同的分辨率和積分區(qū)域，所以開展“窮人”集合預(yù)報(bào)時(shí)，成員個(gè)數(shù)多少取決于網(wǎng)格點(diǎn)位置。如圖2所示，不同顏色代表成員個(gè)數(shù)不同。此外，集合大小還隨預(yù)報(bào)變量而變化（表略），因?yàn)椴皇敲總€(gè)模式都提供每個(gè)預(yù)報(bào)變量。例如，只有一些ALADIN和COSMO聯(lián)盟國(guó)家在其模式環(huán)境中考慮了陣風(fēng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)模型。

圖2 SRNWP-PEPS格點(diǎn)的最大集合成員個(gè)數(shù)隨空間的分布 Fig. 2 The spatial distribution of the maximum ensemble size of the SRNWP-PEPS

SRNWP-PEPS的缺點(diǎn)在于其概率預(yù)報(bào)估計(jì)存在偏差，可能是因?yàn)槊總€(gè)聯(lián)盟內(nèi)部的預(yù)報(bào)成員聚類，以及仍然存在一些不確定性源還未考慮，但經(jīng)過集合后處理生成SRNWP-PEPS訂正后的概率預(yù)報(bào)，可以作為歐洲其他集合系統(tǒng)的參考。另外，不能忽略提供集合預(yù)報(bào)成員的有限區(qū)域模式運(yùn)行狀態(tài)，否則“窮人”集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)可能不完整。

2.2 SRNWP-EPS 短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)

SRNWP-EPS是在EUMETNET框架下的一個(gè)項(xiàng)目，由于該項(xiàng)目任務(wù)的復(fù)雜與艱巨性，它主要分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是從2013年1月至2014年6月，該階段由西班牙氣象廳Estrada領(lǐng)導(dǎo)，其核心目的是實(shí)現(xiàn)2 km左右網(wǎng)格尺度的惡劣與高影響天氣短期集合預(yù)報(bào)開發(fā)與應(yīng)用在歐洲范圍內(nèi)最大限度地協(xié)作。主要完成任務(wù)：盡可能確定目前所擁有的項(xiàng)目相關(guān)狀況和經(jīng)驗(yàn)；計(jì)劃使用SRNWP-I和SRNWP-V項(xiàng)目成果，以實(shí)現(xiàn)集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品的互操作性和驗(yàn)證；為后面設(shè)計(jì)對(duì)流可允許尺度的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)籌劃科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)；考慮最合適的初始擾動(dòng)生成方法及其集合離散度、模型誤差和大尺度邊界不確定性以及可用的嵌套技術(shù)；滿足所有相關(guān)合作伙伴要求，提供一個(gè)適用于不同氣象中心的系統(tǒng)，使得高影響天氣預(yù)報(bào)得到顯著改善；分析和評(píng)估針對(duì)甚高分辨率集合預(yù)報(bào)的有限區(qū)域模式集合預(yù)報(bào)的科學(xué)方法發(fā)展現(xiàn)狀，包括技術(shù)限制與弱點(diǎn)；可用和將來(lái)的計(jì)算機(jī)資源場(chǎng)景；為主要最終用戶考慮必要的產(chǎn)品；為歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)咨詢委員會(huì)提交一份SRNWP-EPS第二階段提案。項(xiàng)目第二階段從2015年7月—2017年12月，但最后延至2018年12月結(jié)束。該階段由西班牙和意大利協(xié)調(diào)，其主要目的是幫助在歐洲建立甚高分辨率的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，解決對(duì)流允許尺度的天氣現(xiàn)象預(yù)報(bào)。主要完成任務(wù)：開發(fā)經(jīng)訂正后的集合預(yù)報(bào)新產(chǎn)品和新方法，用于雷暴、霧的極端預(yù)報(bào)和概率預(yù)報(bào)；針對(duì)極端事件（風(fēng)、降水、溫度等要素）進(jìn)行集合訂正；理解集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)土壤條件和邊界層方案的敏感性及其對(duì)選定現(xiàn)象（霧和雷暴）預(yù)報(bào)的影響。從項(xiàng)目執(zhí)行看，項(xiàng)目第二階段主要聚焦高影響天氣預(yù)報(bào)對(duì)象雷暴與霧，研究主要聚焦不同歐洲模式系統(tǒng)對(duì)土壤模型和邊界層方案的描述不確定性，參與方目前主要有德國(guó)、匈牙利、意大利、挪威、波蘭、西班牙、英國(guó)等21個(gè)歐洲氣象服務(wù)網(wǎng)成員國(guó)。預(yù)計(jì)該項(xiàng)目將作為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)協(xié)作框架下SRNWP-EPS模塊進(jìn)行第三階段工作，即從2023年1月1日—12月31日。

2.3 歐洲范圍內(nèi)主要有限區(qū)域業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展概況

由于局地天氣存在很大不確定性，因此歐洲很多國(guó)家都研發(fā)了有限區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，下面將對(duì)主要的代表性區(qū)域集合預(yù)報(bào)簡(jiǎn)要討論，各高分辨區(qū)域集合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)配置如表2所示，系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)截止到2018年11月。

英國(guó)氣象局：2005年，首次引入了一個(gè)短期區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以改善對(duì)可能影響英國(guó)的高影響天氣預(yù)報(bào)水平[26]。該系統(tǒng)被命名為英國(guó)氣象局全球和區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)MOGREPS （Met Office Global and Regional Ensemble Prediction System），它主要用于幫助預(yù)報(bào)風(fēng)暴的快速發(fā)展、風(fēng)、雨、雪和霧等天氣現(xiàn)象。它包括一個(gè)覆蓋北大西洋和歐洲的區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（稱為MOGREPS-R）和一個(gè)為其提供側(cè)邊界條件的全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，稱為MOGREPS-G。2012年7月，英國(guó)氣象局推出了一個(gè)對(duì)流允許集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其網(wǎng)格間距為2.2 km，嵌套在18 km網(wǎng)格的MOGRES-R系統(tǒng)中，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為36 h，由一個(gè)控制預(yù)報(bào)和11個(gè)擾動(dòng)成員組成，稱為MOGRES-UK。2012年，它被首先用于為倫敦奧運(yùn)會(huì)提供概率預(yù)報(bào)[27]。2013年1月，MOGREPS-G系統(tǒng)水平分辨率從60 km升級(jí)到33 km，這使得英國(guó)MOGRES-UK對(duì)流允許集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠直接嵌套在MOGREPS-G全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，而不需要中間的區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)MOGRES-R[28]。截至2018年11月，該系統(tǒng)水平格距為2.2 km，垂直層達(dá)到70層，逐小時(shí)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度54 h，集合成員24個(gè)。2019年3月，英國(guó)氣象局對(duì)其業(yè)務(wù)運(yùn)行的對(duì)流尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng) MOGREPS-UK進(jìn)行了升級(jí)，它將每6 h進(jìn)行一次預(yù)報(bào)，更新為每1 h進(jìn)行一次預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度增加到120 h。

德國(guó)：基于二十面體非靜力模式ICON（Icosahedral Nonhydrostatic），在ICON-EPS全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng) （40 km）與ICON-EU-EPS區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（20 km）雙向嵌套基礎(chǔ)上，于2012年5月實(shí)施了一個(gè)2.8 km的對(duì)流允許尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)COSMO-DE-EPS，它嵌套在區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)內(nèi)，初始條件擾動(dòng)來(lái)自區(qū)域集合預(yù)報(bào)的LETKF系統(tǒng)，由20個(gè)成員組成，每天運(yùn)行8次，持續(xù)到21 h[29]。截至2018年11月，水平分辨率升級(jí)到2.2 km，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度增加到27 h。

法國(guó)氣象局：基于2.5 km AROME模式，開發(fā)了一個(gè)對(duì)流允許尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，稱為PEARO（Prévision d’Ensemble AROME）系統(tǒng)，它嵌套在ARPEGE-EPS中，即法國(guó)全球短期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)PEARP（Prévision d’Ensemble ARPEGE）。PEARO系統(tǒng)2016年已經(jīng)完成試驗(yàn)運(yùn)行，并且自2016年10月中旬以來(lái)，每天業(yè)務(wù)運(yùn)行兩次，共有12個(gè)集合成員，其初始擾動(dòng)來(lái)自于Arome-EDA系統(tǒng)。截至2018年11月，每天業(yè)務(wù)運(yùn)行4次，其中在03時(shí)/15時(shí)起報(bào)的任務(wù)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度45 h，在09時(shí)/21時(shí)起報(bào)的任務(wù)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為51 h。

奧地利：2007年3月，在ALADIN國(guó)際合作和中歐有限區(qū)域建模區(qū)域合作RC LACE（Regional Cooperation for Limited-Area modelling in Central Europe）框架內(nèi)開發(fā)了中歐有限區(qū)域集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)ALADIN-LAEF（Aire Limit′ee Adaptation Dynamique D’eveloppement InterNational-Limited-Area Ensemble Forecasting），并正式投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行。它的主要特征是通過ECMWF全球集合預(yù)報(bào)動(dòng)力降尺度。2009年，ALADIN-LAEF系統(tǒng)升級(jí)多種處理預(yù)報(bào)不確定性的方法，以提高預(yù)報(bào)質(zhì)量[30]。其初始擾動(dòng)是通過混合方法[31]將ECMWF奇異向量產(chǎn)生的大尺度擾動(dòng)與用ALADIN模式培育產(chǎn)生的小尺度擾動(dòng)相結(jié)合得到，水平分辨率為18 km，垂直方向37層，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度54 h，由18個(gè)成員構(gòu)成。截至2018年11月，水平分辨率升至11 km，垂直方向45層，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度延長(zhǎng)至72 h。

當(dāng)前甚高分辨率集合預(yù)報(bào)的研究和開發(fā)正在歐洲許多國(guó)家進(jìn)行，已經(jīng)成為集合預(yù)報(bào)研究的前沿與熱點(diǎn)。作者認(rèn)為，它應(yīng)該成為除全球中期集合預(yù)報(bào)研究外的另一個(gè)焦點(diǎn)。歐洲其余國(guó)家的現(xiàn)狀不再詳述，其相關(guān)參數(shù)見表2所示。

總體而言，與歐洲全球集合預(yù)報(bào)相比，有限區(qū)域高分辨率集合預(yù)報(bào)有如下特點(diǎn)：1）集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的水平分辨率較高，除挪威（12 km）、奧地利（11 km）、匈牙利（8 km）和意大利（7 km）之外，其余國(guó)家均達(dá)到了5 km以下，大部分集中在2～3 km。2）有限區(qū)域高分辨率集合預(yù)報(bào)成員個(gè)數(shù)一般比全球中期集合預(yù)報(bào)的成員個(gè)數(shù)少。3）邊界更新時(shí)間間隔均低于6 h，大部分達(dá)到逐3 h或逐1 h更新邊界條件。4）集合預(yù)報(bào)的時(shí)間長(zhǎng)度均比全球中期集合預(yù)報(bào)長(zhǎng)度小，一般不超過72 h。5）初始擾動(dòng)生成方面，挪威采用集合資料同化擾動(dòng)加ECMWF全球集合預(yù)報(bào)的初始奇異向量擾動(dòng)相結(jié)合，西班牙采用多個(gè)全球模式降尺度，奧地利采用奇異向量與區(qū)域模式增長(zhǎng)模培育矢量相混合并結(jié)合陸面過程集合分析，匈牙利采用PEARP全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的奇異向量，英國(guó)采用高分辨率分析值疊加降尺度擾動(dòng)，瑞士和意大利采用LETKF算法生成初始擾動(dòng)，德國(guó)采用區(qū)域集合預(yù)報(bào)LETKF系統(tǒng)擾動(dòng)得到初值，波蘭通過時(shí)間滯后的確定性預(yù)報(bào)擾動(dòng)土壤參數(shù)得到。不難發(fā)現(xiàn)，在高分辨率集合預(yù)報(bào)理論方面，初始擾動(dòng)存在與全球中期集合預(yù)報(bào)初值理論切割的傾向，但目前還沒出現(xiàn)一種公認(rèn)的專門適合對(duì)流可分辨尺度集合預(yù)報(bào)的初值集合預(yù)報(bào)理論，因此各個(gè)國(guó)家在結(jié)合自身業(yè)務(wù)實(shí)際的基礎(chǔ)上，集合預(yù)報(bào)理論與形式多種多樣。

3 仍存在問題、挑戰(zhàn)及未來(lái)方向

集合預(yù)報(bào)是歐洲業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的主流。當(dāng)前它不僅廣泛用于氣象部門，還應(yīng)用于水文學(xué)領(lǐng)域、能源部門和航空部門[32-33]等。截至目前，歐洲不但致力于全球集合預(yù)報(bào)的理論與應(yīng)用不斷向下迭代，其有限區(qū)域模式高分辨集合預(yù)報(bào)的研究與實(shí)踐也在近十幾年取得了豐碩的成果。本文從業(yè)務(wù)配置的角度簡(jiǎn)要探討了歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)的發(fā)展，旨在為集合預(yù)報(bào)理論探索和業(yè)務(wù)實(shí)踐提供參考與借鑒。

總體而言，對(duì)于歐洲全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)的發(fā)展，存在下面三個(gè)趨勢(shì)[34]：

1）歐洲全球集合預(yù)報(bào)逐步走向地球系統(tǒng)建模與同化。例如，全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在升級(jí)過程中考慮了與海洋模式和海冰模式耦合以及耦合資料同化，集合預(yù)報(bào)效果得到顯著改進(jìn)。這些升級(jí)表明，通過增加相關(guān)的地球系統(tǒng)相互作用過程，可以進(jìn)一步提高現(xiàn)有預(yù)報(bào)的質(zhì)量，還可以進(jìn)一步延伸動(dòng)力預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)技巧天數(shù)。

2）ECMWF致力于在制作分析值、中期集合預(yù)報(bào)、次季節(jié)尺度集合預(yù)報(bào)和季節(jié)尺度集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)與配置升級(jí)過程中走向無(wú)縫連接。這種趨勢(shì)一方面因科學(xué)發(fā)展推動(dòng)，另一方面因?yàn)榧夹g(shù)要求推動(dòng)。從科學(xué)角度看，有證據(jù)表明與延伸期預(yù)報(bào)相關(guān)的過程也與短期預(yù)報(bào)相關(guān)。例如，在ECMWF集合預(yù)報(bào)中加入了海洋動(dòng)力模式，使用海洋—陸地—大氣耦合模型來(lái)計(jì)算季節(jié)和月時(shí)間尺度，發(fā)現(xiàn)它有助于提高集合預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性，ECMWF自然也將它引入到中期集合預(yù)報(bào)中。從技術(shù)角度來(lái)看，從第0天到第1年，在分析和預(yù)報(bào)階段使用相同模式的開展集合預(yù)報(bào)，便于維護(hù)和業(yè)務(wù)升級(jí)。

3）全球業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)向更高分辨率方向移動(dòng)。這個(gè)問題源于需要更好解決較小尺度的天氣預(yù)報(bào)問題以及相鄰尺度之間的相互作用，其前提是增加計(jì)算資源。2016年ECMWF通過十年戰(zhàn)略設(shè)定了許多宏偉目標(biāo)，其中包括到2025年引入一個(gè)全球5 km的集合預(yù)報(bào)。并且ECMWF最終將丟棄高分辨確定性預(yù)報(bào)，而只專注于達(dá)到1 km左右的高分辨集合預(yù)報(bào)[34]，目前法國(guó)氣象局也采用了這一戰(zhàn)略。

上述關(guān)于歐洲全球集合預(yù)報(bào)發(fā)展的三個(gè)方面盡管路線清晰，但目前的發(fā)展水平僅僅才是開始，還存在許多尚未解決的科學(xué)與工程技術(shù)問題，需要大氣科學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科厚重的基礎(chǔ)研究支撐。

對(duì)于有限區(qū)域甚高分辨率集合預(yù)報(bào)，目前歐洲各個(gè)國(guó)家所建設(shè)的高分辨率集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)相比ECMWF中期集合預(yù)報(bào)均有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，但理論方面仍未形成有效突破，部分做法仍未完全擺脫中期集合預(yù)報(bào)的理論框架。當(dāng)前SRNWP-EPS項(xiàng)目第二階段任務(wù)業(yè)已完成，主要解決土壤模型和邊界層方案的不確定性，預(yù)計(jì)將開展第三階段工作，主要目標(biāo)可能致力于對(duì)流允許或?qū)α骺煞直娉叨燃项A(yù)報(bào)的理論突破與業(yè)務(wù)應(yīng)用，值得密切關(guān)注。

需要說明的是，本文并不是一個(gè)關(guān)于歐洲業(yè)務(wù)集合預(yù)報(bào)進(jìn)展及應(yīng)用研究的完全性綜述。許多十分重要的方面，如歐洲各個(gè)國(guó)家甚高分辨或?qū)α髟试S/可分辨尺度集合預(yù)報(bào)沿革和集合預(yù)報(bào)水平、季節(jié)內(nèi)和季節(jié)尺度集合預(yù)報(bào)進(jìn)展，以及它們與ECMWF全球集合預(yù)報(bào)對(duì)比等均未有涉及。我們相信，集合預(yù)報(bào)未來(lái)將綻放更多的光彩。