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基于多要素3D特征提取的短期定量降水预报技术研究

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南京信息工程大学学报 2024年

作者：熊文睿张恒德陆振宇郭云谦南京信息工程大学人工智能学院国家气象中心

由于空间分辨率有限、物理参数化方案不够完善、泛化性较弱等原因，使得传统业务数值天气模式 (NWP)在定量降水预报中存在固有偏差，而深度学习神经网络具有强大的非线性拟合能力、能够自主性学习到任务相关的关键特征、泛化性较高等优... 详细信息

由于空间分辨率有限、物理参数化方案不够完善、泛化性较弱等原因，使得传统业务数值天气模式 (NWP)在定量降水预报中存在固有偏差，而深度学习神经网络具有强大的非线性拟合能力、能够自主性学习到任务相关的关键特征、泛化性较高等优势，可以有望改善现状。为此，本文提出一种基于多要素3D特征提取的短期定量降水预报技术。基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的高分辨率ECMWF-HRES（EC-Hres）模式预报数据，构建3D-QPF（3D-Quantitative Precipitation Forecast）语义分割模型，通过先分类后回归的耦合框架，捕捉多种降水相关要素数据的3D空间特征，得到与降水实况数据间的相非线性关系，并增加PR（准确率和召回率）损失函数进一步提升模型对偏态数据的预报效果。实验结果表明，3D-QPF的逐日累积降水预报不仅在晴雨量级(0.1mm/(24 h))准确率评分稳定增长，在暴雨量级(50mm/(24 h))的准确率评分也有明显提升，暴雨量级较EC-Hres的TS评分最高提升了15.8%，RMSE优化达到18.71%。经过长期检验，3D-QPF模型与EC-Hres、中国气象局全球模式(CMA-GFS)预报以及2D-Unet和3D-Unet等经典网络模型相比做出了有效的预报订正效果。此外，随着预报时效延长至72 h，模型的优化效果仍能够保持相对稳定。

关键词：定量降水预报语义分割偏态数据耦合方式

台风利奇马(1909)极端强降雨观测特征及成因

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应用气象学报 2020年第5期31卷 513-526页

作者：何立富陈双郭云谦国家气象中心北京100081

利用自动气象站资料、FY-2G卫星TBB(black body temperature)产品、多普勒雷达组网资料和NCEP FNL分析资料对超强台风利奇马(1909)极端强降雨观测特征、热动力结构演变和水汽输送进行分析。结果表明:此次台风大暴雨覆盖华东大部,极端强... 详细信息

利用自动气象站资料、FY-2G卫星TBB(black body temperature)产品、多普勒雷达组网资料和NCEP FNL分析资料对超强台风利奇马(1909)极端强降雨观测特征、热动力结构演变和水汽输送进行分析。结果表明:此次台风大暴雨覆盖华东大部,极端强降雨区(过程雨量超过350 mm)位于浙江东部和山东中部,21个国家级气象站突破日雨量历史极值;副热带高压、台风和西风槽相互作用以及华东沿海强劲东南风急流为台风利奇马(1909)长时间维持与强降雨发生提供了有利的环境条件。浙江东部极端强降雨主要由发展极为强盛的台风本体产生,垂直深厚涡旋系统强烈的上升运动和台风眼墙区密实的深对流系统导致雨强大且降雨集中;而山东中部极端强降雨则与台风非对称结构演变和冷空气侵入密切相关。倒槽锋生、台风北侧3条螺旋雨带北移汇入及地形迎风坡处的列车效应导致山东中部远距离暴雨发生,随着500 hPa干冷空气从低层不断侵入,在台风西侧118°E附近形成向西倾斜的假相当位温锋区,暖湿气流爬升引发第2阶段稳定性降雨。

关键词：超强台风利奇马(1909) 极端强降雨非对称结构列车效应假相当位温锋区

集合敏感性方法在高原涡和西南涡引发暴雨过程中的应用

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高原气象 2017年第5期36卷 1245-1256页

作者：王毅何立富代刊郭云谦国家气象中心北京100081

基于欧洲中期天气预报中心ECMWF的集合预报和美国国家环境预报中心NCEP再分析等资料对2013年6月30日一次高原涡和西南涡作用下的四川盆地暴雨过程进行了分析。结果表明:(1)高原涡东移并和西南涡耦合加强导致了持续性暴雨的形成,集合预... 详细信息

基于欧洲中期天气预报中心ECMWF的集合预报和美国国家环境预报中心NCEP再分析等资料对2013年6月30日一次高原涡和西南涡作用下的四川盆地暴雨过程进行了分析。结果表明:(1)高原涡东移并和西南涡耦合加强导致了持续性暴雨的形成,集合预报的高原涡和西南涡之间的动力特征量(位势高度和涡度)的相关系数随时间逐步增大,表明两个低涡呈现出逐步耦合加强的特征;(2)集合敏感性分析可以用来揭示降水预报对于天气系统的敏感性,结合高度场和风场反映出低涡对暴雨的影响,此次过程暴雨对高原涡比西南涡更加敏感,在集合预报对西南涡预报不确定性较小的情况下,集合成员对高原涡的预报是影响降水强度和落区预报的关键因子,与实况更加接近的最优集合成员与控制预报相比,预报的高原涡强度更强,位置偏东;(3)30日,夜间降水量对低涡的动力特征量较白天更为敏感,主要是因为夜间暴雨是由高原涡和西南涡垂直耦合加强引发的,动力作用较明显,而白天的暴雨热力作用更加显著。

关键词：集合预报高原涡西南涡盆地暴雨

我国中东部平原地区临界气温条件下降水相态判别分析

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气象 2019年第8期45卷 1037-1051页

作者：陈双谌芸何立富郭云谦国家气象中心

基于2001-2013年地面观测和探空资料,对地面气温位于0~2℃(以下称临界气温)我国降雪的时空分布及其与降雨的垂直热力特征进行了研究,引入了决策树判别方法对上述条件下雪和雨进行了判别分析,结果表明:临界气温下降雪出现频率总体高于降... 详细信息

基于2001-2013年地面观测和探空资料,对地面气温位于0~2℃(以下称临界气温)我国降雪的时空分布及其与降雨的垂直热力特征进行了研究,引入了决策树判别方法对上述条件下雪和雨进行了判别分析,结果表明:临界气温下降雪出现频率总体高于降雨、雨夹雪出现频率,且在我国华北南部至江南北部的中东部地区分布较多,年均可达7.69~15.38站次;临界气温下,降水相态为雨或雪对应的平均温度廓线最大差异位于650 hPa附近,且地面气温较低时,平均温度差异更明显,平均湿度廓线差异则主要位于低层,且在地面气温较高时,平均湿度差异更明显;临界气温下,降水相态为雨时,地面上空存在暖层样本占比,较降水相态为雪时更高,且降雨时暖层主要位于中层,降雪时暖层则主要位于低层,降雨时其暖层强度显著大于降雪时暖层强度;在临界气温下雨雪判别分析中,地面气温能显著提升判别准确率,湿球温度能在一定程度上提升判别准确率,基于云顶温度、中层融化参数、低层湿球温度构建的决策树判别模型,判别准确率达到91.86%,能较好地解决临界气温下雨和雪的判别问题。

关键词：临界气温雪雨暖层融化参数湿球温度决策树

CMA-GEPS对中国超强梅雨天气过程的预报能力分析

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大气科学学报 2023年第3期46卷 415-430页

作者：齐倩倩朱跃建陈静佟华郭云谦中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 灾害天气国家重点实验室北京100081 美国国家海洋和大气管理局/国家气象局/国家环境预报中心/环境模式中心美国马里兰州20742 国家气象中心北京100081

基于中国气象局自主研发的全球集合预报系统CMA-GEPS,针对2020年6—7月的长江中下游地区超强梅雨天气过程,开展了中国梅汛期强降水的预报能力分析。结果表明,西太副高的稳定维持及夏季风的持续增强为梅汛期强降水的发生提供了有利的动... 详细信息

基于中国气象局自主研发的全球集合预报系统CMA-GEPS,针对2020年6—7月的长江中下游地区超强梅雨天气过程,开展了中国梅汛期强降水的预报能力分析。结果表明,西太副高的稳定维持及夏季风的持续增强为梅汛期强降水的发生提供了有利的动力和水汽条件。CMA-GEPS对西太副高各指数的快速调整趋势预报,可提前7~10 d在预报中呈现;对西太副高强度和面积预报技巧与NCEP集合预报相当,表现为偏弱的估计,脊线和西伸脊点预报技巧与ECMWF集合预报相当,表现为脊线位置偏南、西伸脊点偏东的偏差。CMA-GEPS对东亚夏季风指数预报技巧在9 d以上,较控制预报提前2 d。CMA-GEPS的控制预报存在强度偏弱、雨带位置偏南的系统性偏差和漏报现象;基于空间和时间权重修正的邻域方案TSWNP,明显提高了大雨预报的技巧,减少了漏报的发生,优于控制预报和传统的单点概率预报,从而表明,TSWNP方案对梅汛期大雨过程的预报是有效且合理的。

关键词：超强梅雨过程西太副高东亚季风 CMA-GEPS TSWNP方案

基于多模式QPF融合的台风暴雨预报后处理技术研究及应用试验

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气象 2020年第10期46卷 1261-1271页

作者：陈博宇代刊唐健郭云谦钱奇峰国家气象中心北京100081

以2018年主要登陆台风暴雨过程为研究对象,利用多中心多模式(ECMWF、NCEP降水和台风路径集合预报及业务细网格模式,国内主要业务区域模式GRAPES-Meso、GRAPES-3 km、RMAPS、SMS-WARMS)预报及国家气象中心实时台风中心定位和路径预报,在... 详细信息

以2018年主要登陆台风暴雨过程为研究对象,利用多中心多模式(ECMWF、NCEP降水和台风路径集合预报及业务细网格模式,国内主要业务区域模式GRAPES-Meso、GRAPES-3 km、RMAPS、SMS-WARMS)预报及国家气象中心实时台风中心定位和路径预报,在统计检验和偏差分析的基础上,对前期已业务应用的基于观测的集合成员优选技术进行改进,以期获得更高分辨率和准确率的台风降水客观预报产品。结果显示,改进后的客观产品空间分辨率较前期有明显提升,预报准确率较ECMWF和NCEP业务模式确定性预报有明显提高,TS评分提高率在15%~20%,同时也高于各业务区域模式预报,且暴雨TS评分略高于同期预报员主观预报。此外,研究表明,该客观产品的预报准确率对参考路径的选取有较强的依赖性,依据实时台风中心定位优选出3~5个成员形成集合平均路径,将其作为参考路径的试验评分要高于以所有成员的集合平均路径为参考的试验评分。集合成员优选技术和以概率匹配方法为基础的QPF融合技术对改进全球和区域模式的台风暴雨预报有明显的帮助。

关键词：台风暴雨集合预报区域模式成员优选概率匹配

广州“5·7”局地突发特大暴雨过程的数值可预报性分析

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气象 2019年第9期45卷 1199-1212页

作者：陈涛孙军谌芸郭云谦徐珺国家气象中心北京100081 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519082

2017年5月6日夜间至7日上午广州地区发生局地特大暴雨,分析表明对流触发与珠江口地区边界层南风增强等因素有密切关系。数值模式预报检验表明,ECMWF集合预报的强降水预报成员在初始条件上具有更显著的辐合上升、水汽和不稳定性条件,而GR... 详细信息

2017年5月6日夜间至7日上午广州地区发生局地特大暴雨,分析表明对流触发与珠江口地区边界层南风增强等因素有密切关系。数值模式预报检验表明,ECMWF集合预报的强降水预报成员在初始条件上具有更显著的辐合上升、水汽和不稳定性条件,而GRAPES区域模式对6日20时初始场分析以及对边界层南风增强过程的预报都更为准确。集合敏感性分析表明,降水预报高敏感区分布与江南地区高压、南海高压以及华南低槽等关键天气系统的相对强度和位置有密切关系;降水对温度的预报敏感区主要位于关键区边界层内,近地面层到边界层底部温度越高、边界层顶越冷,越有利于对流不稳定性增强,有利于关键区内对流发展。通过3组探空预报试验分析了对流尺度降水预报关于初值热扰动、低层风场扰动和降水物理方案的敏感性,结果表明在特定环境条件下,与低层风场扰动试验组对比,降水预报对于初始热力扰动更为敏感;降水微物理方案预报试验表明,在小成员数的集合预报中物理方案扰动能够有效增大预报离散度。以上结果表明,分析对流尺度集合预报中各类初值扰动、物理扰动导致的预报变化和预报敏感性,能够更为全面地估计暖季中小尺度强降水事件的可预报性。

关键词：中尺度对流系统预报检验集合敏感性分析可预报性

基于多模式预报优选融合技术的短时定量降水预报

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河海大学学报（自然科学版） 2022年第5期50卷 10-15页

作者：曹勇张恒德郭云谦包红军徐成鹏赵威国家气象中心北京100081 中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室北京100081

为提升短时定量降水预报准确率,使其更好地支撑城市暴雨洪涝及中小河流洪水预报,基于多源数值天气模式预报值,构建了基于预报成员优选融合的短时(0~12 h)逐小时定量降水预报模型,模型由单模式百分位映射订正技术模块、模式订正预报成员... 详细信息

为提升短时定量降水预报准确率,使其更好地支撑城市暴雨洪涝及中小河流洪水预报,基于多源数值天气模式预报值,构建了基于预报成员优选融合的短时(0~12 h)逐小时定量降水预报模型,模型由单模式百分位映射订正技术模块、模式订正预报成员实时优选技术模块、预报成员实时融合技术模块和融合预报的百分位映射订正技术模块4个技术模块组成。以河南省为例对模型进行检验,结果表明:模型预报降水分布和强度随着预报时效临近更接近实况降水;模型提前6 h预报出郑州“7·20”暴雨最强时段降水的落区和强度;在2021年1—9月降水预报对比检验中,模型预报准确率高于任意单模式订正预报和原始模式预报,且准确率随着预报时效的临近逐步提高。

关键词：短时定量降水预报多数值模式预报成员优选最优融合河南省

台风苏迪罗登陆次日分散性暴雨成因及预报着眼点

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气象 2019年第1期45卷 38-49页

作者：杨舒楠曹勇陈涛唐健郭云谦国家气象中心北京100081

利用常规气象观测,卫星、雷达资料,数值模式和中央气象台定量降水预报数据以及FNL分析数据等对台风苏迪罗的定量降水预报进行检验,探讨台风登陆次日分散性暴雨成因和预报着眼点。苏迪罗登陆次日,暴雨分布相对较分散,各家数值模式对其把... 详细信息

利用常规气象观测,卫星、雷达资料,数值模式和中央气象台定量降水预报数据以及FNL分析数据等对台风苏迪罗的定量降水预报进行检验,探讨台风登陆次日分散性暴雨成因和预报着眼点。苏迪罗登陆次日,暴雨分布相对较分散,各家数值模式对其把握均较差。NMC的24 h定量降水预报虽在模式基础上有较好订正,但仍存在明显的暴雨空、漏报现象:暴雨落区预报较实况偏南,导致南侧空报、北侧漏报。受环境场和台风非对称结构影响,强降水产生的有利动力、水汽条件均位于台风北侧和东部沿海地区。台风东北象限对流层低层存在两条强辐合带,其间为降水较弱的弱辐散和下沉运动区。预报员对台风结构的非对称性及风场的非均匀性把握不足,对台风中心附近和两条辐合带间的弱降水区预报偏强,造成暴雨空报。在地形作用下,浙江沿海不断有强降水产生,随后沿切线方向发展为螺旋雨带并逐渐北扩。预报员对地形不断强迫作用下降水沿螺旋雨带的发展及向外围的扩散没有预期,导致浙江北部暴雨漏报。台风登陆次日分散性暴雨的预报着眼点包括:台风非对称性、风场非均匀性、螺旋雨带发展及地形作用等。非对称性影响较大尺度的降水落区;低层风场非均匀的辐合带及急流分布则引起螺旋雨带的发展、演变,决定了台风的精细强降水落区。除地形对局地降水具有增幅作用外,强降水沿螺旋雨带的发展还会对下游地区产生影响。

关键词：台风暴雨分散性暴雨定量降水预报检验螺旋雨带地形