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Deep learning-based subseasonal to seasonal precipitation prediction in southwest China:Algorithm comparison and sensitivity to input features

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Earth and Planetary Physics 2023年第4期7卷 471-486页

作者： guolu gao Yang Li XueYun Zhou XiaoMing Xiang JiaQi Li ShuCheng Yin Ya’an Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauYa’an Sichuan 625000China Plateau and Basin Rainstorm Drought and Flood Key Laboratory of Sichuan ProvinceChengdu 610000China College of Atmospheric Science Chengdu University of Information TechnologyChengdu 610225China Meteorological Observation and Data Centre Sichuan Meteorological BureauChengdu 610072China Leshan Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauLeshan Sichuan 614000China Quanzhou Meteorological Observatory Fujian Meteorological BureauQuanzhou Fujian 362000China

The prediction of precipitation at subseasonal to seasonal(S2S)timescales remains an enormous challenge because of the gap between weather and climate predictions.This study compares three deep learning algorithms,namely,the long short-term memory recurrent(LSTM),gated recurrent unit(GRU),and recurrent neural network(RNN),and selects the optimal algorithm to establish an S2S precipitation prediction model.The models were evaluated in four subregions of the Sichuan Province:the Plateau,Valley,eastern Basin,and western Basin.The results showed that the RNN model had better performance than the LSTM and GRU models.This could be because the RNN model had an advantage over the LSTM model in the transformation of climate indices with positive and negative variations.In the validation of test datasets,the RNN model successfully predicted the precipitation trend in most years during the wet season(May-October).The RNN model had a lower prediction bias(within±10%),higher sign accuracy of the precipitation trend(~88.95%),and greater accuracy of the maximum precipitation month(>0.85).For the prediction of different lead times,the RNN model was able to provide a stable trend prediction for summer precipitation,and the time correlation coefficient score was higher than that of the National Climate Center of China.Furthermore,this study proposed a method to measure the sensitivity of the RNN model to different input features,which may provide unprecedented insights into the nonlinear relationship and complicated feedback process among climate systems.The results of the sensitivity distribution are as follows.First,the Niño 4 and Niño 3.4 indices were equally important for the prediction of wet season precipitation.Second,the sensitivity of the snow cover on the Tibetan Plateau was higher than that in the Northern Hemisphere.Third,an opposite sensitivity appeared in two different patterns of the Indian Ocean and sea ice concentrations in the Arctic and the Barents Sea.

关键词： recurrent neural network long short-term memory recurrent sensitivity analysis artificial intelligence explainability complex terrain southwest China

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The increasing predominance of extreme precipitation in Southwest China since the late 1970s

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2022年第5期15卷 43-48页

作者： Guowei Zheng Yang Li Quanliang Chen Xin Zhou guolu gao Minggang Li Ting Duan Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province College of Atmospheric ScienceChengdu University of Information TechnologyChengduChina Fushun Meteorological Observatory Liaoning Meteorological BureauFushunChina School of Earth and Environment University of LeedsLeedsUK Ya’an Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauYa’anChina Plateau and Basin Rainstorm Drought and Flood Key Laboratory of Sichuan ProvinceChengduChina

本文分析了中国西南20世纪70年代末以来极端降水事件的频率,强度及其对总降水的贡献.结果表明,该地区约60%的降水站点极端降水的频率和强度正在增加,而大多数站点总降水频率明显减少.同时极端降水总量对总降水量的贡献有显著增加的趋势... 详细信息

本文分析了中国西南20世纪70年代末以来极端降水事件的频率,强度及其对总降水的贡献.结果表明,该地区约60%的降水站点极端降水的频率和强度正在增加,而大多数站点总降水频率明显减少.同时极端降水总量对总降水量的贡献有显著增加的趋势,极端降水在日益干旱的中国西南地区变得更具主导性.研究结果提醒应更加重视极端降水及其可能引发的次生灾害,如洪水,山体滑坡等.

关键词：极端降水中国西南趋势降水频率降水强度

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Main Detrainment Height of Deep Convection Systems over the Tibetan Plateau and Its Southern Slope

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Advances in Atmospheric Sciences 2019年第10期36卷 1078-1088页

作者： Quanliang CHEN guolu gao Yang LI Hongke CAI Xin ZHOU Zhenglin WANG School of Atmospheric Sciences Chengdu University of Information Technology and Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province

Deep convection systems (DCSs) can rapidly lift water vapor and other pollutants from the lower troposphere to the upper troposphere and lower stratosphere. The main detrainment height determines the level to which the air parcel is lifted. We analyzed the main detrainment height over the Tibetan Plateau and its southern slope based on the CloudSat Cloud Profiling Radar 2B_GEOPROF dataset and the Aura Microwave Limb Sounder Level 2 cloud ice product onboard the Atrain constellation of Earth-observing satellites. It was found that the DCSs over the Tibetan Plateau and its southern slope have a higher main detrainment height (about 10-16 km) than other regions in the same latitude. The mean main detrainment heights are 12.9 and 13.3 km over the Tibetan Plateau and its southern slope, respectively. The cloud ice water path decreases by 16.8% after excluding the influences of DCSs, and the height with the maximum increase in cloud ice water content is located at 178 hPa (about 13 km). The main detrainment height and outflow horizontal range are higher and larger over the central and eastern Tibetan Plateau, the west of the southern slope, and the southeastern edge of the Tibetan Plateau than that over the northwestern Tibetan Plateau. The main detrainment height and outflow horizontal range are lower and broader at nighttime than during daytime.

关键词： main detrainment height deep convection systems Tibetan Plateau and its southern slope A-train

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A hybrid model for short-term rainstorm forecasting based on a back-propagation neural network and synoptic diagnosis

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2021年第5期14卷 13-18页

作者： guolu gao Yang Li Jiaqi Li Xueyun Zhou Ziqin Zhou Yaan Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauYaanChina College of Atmospheric Science Chengdu University of Information TechnologyChengduChina Leshan Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauLeshanChina Nanchong Meteorological Observatory Sichuan Meteorological BureauNanchongChina

暴雨是我国最重要的自然灾害之一.大量的研究表明,暴雨的频率和强度在全球变暖的背景下正在逐年增强.但是如何成功的预测短期暴雨,特别是发生在复杂地形下的暴雨,仍然是一个巨大的挑战.本项研究采用BP神经网络和天气学诊断相结合的方法... 详细信息

暴雨是我国最重要的自然灾害之一.大量的研究表明,暴雨的频率和强度在全球变暖的背景下正在逐年增强.但是如何成功的预测短期暴雨,特别是发生在复杂地形下的暴雨,仍然是一个巨大的挑战.本项研究采用BP神经网络和天气学诊断相结合的方法,探索了一种四川盆地西部复杂地形下的暴雨预报模型.该模型有效改善了喇叭口地形下,受低层偏东风影响的暴雨预报准确性.机器学习与天气学理论的结合,提升了模型的物理基础和预测成功率,同时该方法也为发展具有本地特征的暴雨预报客观工具,提供了一定的参考价值.

关键词：暴雨短期预测方法 BP神经网络复合预测模型

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Ultra-high spectral purity laser derived from weak external distributed perturbation

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Opto-Electronic Advances 2023年第2期6卷 39-48页

作者： Laiyang Dang Ligang Huang Leilei Shi Fuhui Li guolu Yin Lei gao Tianyi Lan Yujia Li Lidan Jiang Tao Zhu Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems(Education Ministry of China) Chongqing UniversityChongqing 400044China

Ultra-high spectral purity lasers are of considerable research interests in numerous fields such as coherent optical communication,microwave photonics,distributed optical fiber sensing,gravitational wave detection,optical clock,and so on.Herein,to deeply purify laser spectrum with compact size under normal condition,we propose a novel and practical idea to effectively suppress the spontaneous radiation of the laser cavity through weak external distributed perturbation.Subsequently,a laser configuration consisting of a main lasing cavity and an external distributed feedback cavity is proposed.The feedback signal with continuous spatio-temporal phase transition controlled by a distributed feedback structure is injected into the main cavity,which can deeply suppress the coupling rate from the spontaneous radiation to the stimulated emission and extremely purify the laser spectrum.Eventually,an ultra-narrow linewidth on-chip laser system with a side mode suppression ratio greater than 80 dB,an output linewidth of 10 Hz,and a relative intensity noise less than-150 dB/Hz is successfully obtained under normal conditions.The proposed concept in this work provides a new perspective for extreme regulation of laser parameters by using weak external distributed perturbation,which can be valid for various gain-type lasers with wide wavelength bands.

关键词： high-coherence weak external distributed perturbation narrow linewidth laser

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Dynamics of a dispersion-tuned swept-fiber laser

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Photonics Research 2023年第6期11卷 999-1006页

作者： DUIDUI LI guolu YIN LIGANG HUANG LEI gao LAIYANG DANG ZEHENG ZHANG JINGSHENG HUANG HUAFENG LU TAO ZHU Key Laboratory of Optoelectronic Technology&Systems(Ministry of Education) Chongqing UniversityChongqing 400044China

In this paper,we studied the dynamics of a dispersion-tuned swept-fiber laser both experimentally and theoretically.By adding a dispersion compensation fiber and an electro-optic modulator in the laser cavity,an actively mode-locked laser was obtained by using intensity modulation,and wavelength sweeping was realized by changing the modulation frequency.Using a high-speed real-time oscilloscope,the dynamic behaviors of the swept laser were investigated during wavelength switching,static-sweeping cycle,and continuous sweeping,respectively.It was found that the laser generates relaxation oscillation at the start of the sweeping mode.The relaxation oscillation process lasted for about 0.7 ms,and then the laser started to operate stably.Due to the nonlinear effect,new wavelengths were generated in the relaxation oscillation process,which is not beneficial for applications.Fortunately,relaxation oscillation disappears if the laser starts up and operates in the continuous sweeping mode,and the good sweeping symmetry between the positive sweep and negative sweep increases the application potential of the laser.In addition,the instantaneous linewidth is almost the same as that in the static state.These results describe the characteristics of the laser from a new perspective and reveal,to the best our knowledge,the intensity dynamics of such lasers for the first time.This paper provides some new research basis for understanding the establishment process of dispersion-tuned swept-fiber lasers and their potential application in the future.

关键词： fiber laser modulator

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青藏高原深对流及其在对流层——平流层物质输送中作用的研究进展

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大气科学 2022年第5期46卷 1198-1208页

作者：陈权亮高国路李扬成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 四川省雅安市气象局雅安625000

深对流能够向上对流层—下平流层(UTLS)输送大量水汽和污染物,对对流层顶的辐射平衡、平流层的臭氧恢复以及全球气候变化都有着重要的影响。近年来,一系列重要的观测事实发现,青藏高原和亚洲季风区是对流层向平流层物质输送(TST)的重要... 详细信息

深对流能够向上对流层—下平流层(UTLS)输送大量水汽和污染物,对对流层顶的辐射平衡、平流层的臭氧恢复以及全球气候变化都有着重要的影响。近年来,一系列重要的观测事实发现,青藏高原和亚洲季风区是对流层向平流层物质输送(TST)的重要窗口。本文介绍了近年来取得的一些主要进展和成果,包括:(1)通过卫星观测在青藏高原—亚洲季风区上空发现水汽、气溶胶的极大值区和臭氧的极小值区;(2)深对流活动的主要观测途径和通过卫星观测识别深对流的方法;(3)青藏高原深对流向平流层物质输送的物理过程;(4)青藏高原深对流与亚洲季风区、热带海洋地区深对流的结构差异以及不同环境场对深对流物质输送过程的影响。

关键词：深对流青藏高原对流层—下平流层物质输送

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基于多普勒天气雷达资料的冰雹预报模型及应用

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内蒙古气象 2022年第2期 35-39页

作者：郭璐璐周学云高国路雅安市气象局四川雅安625000

为了提高雅安市冰雹预报能力,并为人工消雹工作提供更好的指导作用,文章利用了雅安市的新一代多普勒天气雷达资料,采用随机森林方法,对32项特征指标进行判断,建立了冰雹预报模型。使用该模型,可判断出可能出现冰雹的风暴,及其未来30 mi... 详细信息

为了提高雅安市冰雹预报能力,并为人工消雹工作提供更好的指导作用,文章利用了雅安市的新一代多普勒天气雷达资料,采用随机森林方法,对32项特征指标进行判断,建立了冰雹预报模型。使用该模型,可判断出可能出现冰雹的风暴,及其未来30 min的移动轨迹,以此确定未来冰雹的影响区域,给风暴最近的人工影响天气高炮作业点提供方位角、仰角数据,指导作业人员实施消雹作业。研究成果能够为雅安市冰雹灾害的防御提供科学指导,在实际业务应用中减轻农业灾害损失,提高全市冰雹灾害的防御能力。

关键词：冰雹预报模型多普勒雷达随机森林

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850hPa低空急流影响下的一次雅安暴雨天气过程分析

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高原山地气象研究 2022年第S1期42卷 19-23页

作者：高国路李扬李嘉琪郭璐璐四川省雅安市气象局雅安625000 成都信息工程大学大气科学学院成都610225 四川省乐山市气象局乐山614000

利用地面、探空和雷达实况观测资料,以及ECMWF-ERA5逐小时再分析资料,分析了雅安地区2020年8月29~30日一次区域性大暴雨天气过程。结果表明:台风和副热带高压配合下的低纬环流对此次暴雨天气的低层水汽输送有重要影响。850hPa偏东风低... 详细信息

利用地面、探空和雷达实况观测资料,以及ECMWF-ERA5逐小时再分析资料,分析了雅安地区2020年8月29~30日一次区域性大暴雨天气过程。结果表明:台风和副热带高压配合下的低纬环流对此次暴雨天气的低层水汽输送有重要影响。850hPa偏东风低空急流的建立触发了强对流的产生,低空急流的稳定维持为持续性强降水输送了水汽和不稳定能量;低空急流和喇叭口地形的共同影响在雅安东部地区形成了稳定的低涡,并使中尺度对流系统在该地区稳定少动,从而导致了此次区域性大暴雨天气过程。

关键词：低空急流暴雨 “天漏” 低涡短时强降水

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两类不稳定条件下的西南涡发展及其暴雨触发机制

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高原山地气象研究 2023年第4期43卷 1-10页

作者：李嘉琪陈贝高国路李一凡四川省乐山市气象局乐山614000 中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室成都610072 河南省安阳市气象局安阳455000

利用地面自动站观测数据、欧洲中心ERA5再分析数据和FY-2G卫星相当黑体温度数据,对四川盆地的两次不同不稳定条件下西南涡发展以及暴雨触发机制进行湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)诊断分析。结果表明:两次暴雨过程均与长生命史... 详细信息

利用地面自动站观测数据、欧洲中心ERA5再分析数据和FY-2G卫星相当黑体温度数据,对四川盆地的两次不同不稳定条件下西南涡发展以及暴雨触发机制进行湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)诊断分析。结果表明:两次暴雨过程均与长生命史的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)维持有密切关系。过程一是典型“东高西低”环流形势,有冷空气影响,MCS属于锋面云团,对流系统在冷暖空气交汇区维持加强;干冷空气沿等熵面向下入侵,?θse/?p0,MPV<0,大气被对流不稳定机制主导,斜压性弱,MPV1“下正上负”的偶极子垂直结构有利于涡度增加,深厚的垂直上升运动与低空急流共同造成水平风垂直切变增强是西南涡和暴雨发展的重要原因。两次暴雨过程中MPV2负值增加与低涡发展和降水强度增大均有良好对应关系,MPV1对降水的指示性较差,但较好地反映了大气不稳定性。

关键词：盆地暴雨湿位涡西南涡对流不稳定条件对称不稳定

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