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台风强度变化最快时涡度的解析解

南京信息工程大学学报（自然科学版） 2022年第5期14卷 625-634页

作者：范景威周伟灿冯也骋官元红南京信息工程大学数学与统计学院南京210044 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 宿迁泽达职业技术学院宿迁 223800

利用旋转坐标系中的基本方程推导得到动能方程,通过动能的局地变化率定义刻画台风强度变化率的能量泛函,对泛函作变分得到Euler⁃Lagrange方程.分析方程可知,当台风强度变化率达到最大时,摩擦力、气压梯度力、重力和动能梯度满足四力平... 详细信息

利用旋转坐标系中的基本方程推导得到动能方程,通过动能的局地变化率定义刻画台风强度变化率的能量泛函,对泛函作变分得到Euler⁃Lagrange方程.分析方程可知,当台风强度变化率达到最大时,摩擦力、气压梯度力、重力和动能梯度满足四力平衡关系.因此,这四个力确定的向量可以作为台风强度的预报因子,更准确地确定台风系统强度变化率达到最大的时间点.进一步通过风场变分分解提取到有旋场中的最大涡旋,得到台风强度变化最快时涡度和流场的解析解,对研究台风发展过程中速度的变化趋势和台风的空间结构具有实用价值,为台风路径和强度预报提供了一定的理论指引.

关键词：台风强度涡度解析解变分法风场分解

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台风强度变化最快时动力模式的解析解

台风强度变化最快时动力模式的解析解

作者：范景威南京信息工程大学

学位级别：硕士

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一,台风登陆的地点几乎遍布从华南到东北的沿岸地带,因而对台风的精准预测预报显得尤为重要。自20世纪90年代以来,虽然我国在台风路径的预报方面取得了显著的进展,但是在台风结构和强度变化预报方... 详细信息

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一,台风登陆的地点几乎遍布从华南到东北的沿岸地带,因而对台风的精准预测预报显得尤为重要。自20世纪90年代以来,虽然我国在台风路径的预报方面取得了显著的进展,但是在台风结构和强度变化预报方面进展较缓慢,无法满足不断提高的防台减灾需求。在此背景下,研究台风强度变化和非对称结构对台风强度的影响是关系到国计民生的重要课题,是科学研究的重中之重。因此,本文研究了台风强度变化最快时动力模式的解析解,以期为研究台风的运动机理与层次结构提供新的理论方向。首先,根据旋转坐标系中的动能方程定义能量泛函,采用变分方法从台风强度变化率最大的动力构成中化能量方程,得到当台风强度变化率达到最大时,摩擦力、气压梯度力、重力和动能梯度满足四力平衡的结论。利用中尺度模式WRF对台风Rammasun(2014)的快速增强过程进行模拟,运用四力平衡的结论确定台风Rammasun在7月17日12时强度变化率达到最大,证明了结论的合理性。其次,利用风场变分分解的方法,提取台风强度变化最快时风场中的有旋气流,得到有旋流场和无旋流场满足的Euler-Lagrange方程,并解得风廓线的表达式。台风的整体结构取决于风廓线H(z),而λ是决定H(z)的主要参数,因此λ决定整个台风的层次结构。采用风场直接分解的方法,得到的涡度方程与变分分解的结果一致,说明用变分方法分解台风风场的可行性。最后,采用常数变易法解极坐标下的涡度方程,得到涡度和有旋流场的解析解。进一步通过数值试验得到,当λ=0时,流线图和流函数图基本呈均匀梯度分布,与实测流场相吻合;当λ(29)0时,n=0时的流线图和流函数图符合实测流场分布,最终得到符合实际的台风强度变化最快时动力模式的解析解。该结果为台风路径和强度预报提供了一定的理论指引,对于研究台风发展过程中速度的变化趋势和流场的结构具有一定的实用价值。

关键词：台风强度动力模式解析解变分法

一种基于集合数值预报产品的台风强度订正方法

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气象学报 2023年第2期81卷 316-327页

作者：胡海川董林国家气象中心北京100081

相对于台风路径预报,数值模式对于台风强度的预报能力仍有较大不足。为进一步降低台风强度预报误差,提升防台减灾能力,利用2018—2019年ECMWF集合预报数据,在偏相关分析及共线性检验的基础上建立了由台风初始强度、初始场误差项、集合... 详细信息

相对于台风路径预报,数值模式对于台风强度的预报能力仍有较大不足。为进一步降低台风强度预报误差,提升防台减灾能力,利用2018—2019年ECMWF集合预报数据,在偏相关分析及共线性检验的基础上建立了由台风初始强度、初始场误差项、集合平均变化项以及集合离散度项构成的西北太平洋台风强度预报方程。利用2020年数据进行预报效果的对比检验得出以下结论:由预报方程得到台风强度的预报误差在各预报时效均小于集合预报中不同统计量的预报产品,其中,24 h预报的均方根误差较ECMWF集合预报最大值、平均值分别减少34.36%和14.58%,较确定性模式预报减小20.38%。72 h预报较集合平均及最大值的均方根误差分别减小25.68%和12.91%,较确定性模式预报减小11.13%。在台风个例的对比分析中,预报方程的预报效果同样优于ECMWF集合预报及确定性模式预报,与实况最为接近,且在快速增强的台风预报中有更好的表现。基于集合预报的台风强度预报方程能够定量地从集合预报中提取关键信息生成更为准确的预报结果,可以为西北太平洋台风强度预报提供参考。

关键词：台风强度预报方程集合预报偏相关分析

利用FY-4A卫星资料研究海洋热含量对台风强度的影响

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海洋通报 2022年第6期41卷 683-690页

作者：张月谢涛鄢俊洁赵立南京信息工程大学遥感与测绘工程学院江苏南京210044 北京华云星地通科技有限公司北京100081 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

随着全球气候不断变化,平均海面温度持续升高,我国东南沿海至西北太平洋周边台风频繁发生,海温与台风发生及发展的关系问题成为现阶段气候变化区域响应研究的热点。本文利用FY-4A融合海温数据、NOAA气候态数据WOA18和CMEMS海面高度异常... 详细信息

随着全球气候不断变化,平均海面温度持续升高,我国东南沿海至西北太平洋周边台风频繁发生,海温与台风发生及发展的关系问题成为现阶段气候变化区域响应研究的热点。本文利用FY-4A融合海温数据、NOAA气候态数据WOA18和CMEMS海面高度异常数据,采用海洋热含量(TCHP)算法计算获得2019年西北太平洋海洋热含量空间分布数据,并根据两层约化重力模式和海水状态方程计算出的H_(26)(从海面到26°C等温线深度)与Argo数据进行验证分析,用来检验研究方法的可行性。最后结合我国东南沿海及西北太平洋2019年台风数据,将TCHP和H_(26)与台风强度进行拟合。结果表明:TCHP和H_(26)与台风强度四次多项式的拟合效果较好,拟合RMSE分别为19.1和28.2。根据海-气交换原理,研究结果表明台风所经过海面的海洋热量影响着台风的变化趋势,海洋热含量越高,台风后期发展的强度越大,台风等级也就越高。

关键词： FY-4A卫星海洋热含量台风强度 H_(26)

基于局部线性嵌入的人工智能台风强度集合预报模型

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气象 2014年第7期40卷 806-815页

作者：黄颖金龙黄小燕史旭明金健广西气象减灾研究所南宁530022 广西区气候中心南宁530022 华东师范大学计算机科学技术系上海200241

利用局部线性嵌入算法通过学习挖掘高维数据集的内在几何结构,高效地实现维数约简和特征提取的能力,论文以2001—2012年共12年6—9月西北太平洋海域内生成的台风样本为基础,将气候持续因子作为台风强度的基本预报因子,采用局部线性嵌入... 详细信息

利用局部线性嵌入算法通过学习挖掘高维数据集的内在几何结构,高效地实现维数约简和特征提取的能力,论文以2001—2012年共12年6—9月西北太平洋海域内生成的台风样本为基础,将气候持续因子作为台风强度的基本预报因子,采用局部线性嵌入的特征提取与逐步回归计算相结合的预报因子信息数据挖掘技术,以进化计算的粒子群算法,生成期望输出相同的多个神经网络个体,建立了一种新的非线性人工智能集合预报模型,进行了分月台风强度预报模型的建模研究。在建模样本、独立预报样本相同的情况下,分别采用人工智能集合预报方法和气候持续法进行预报试验。试验对比结果表明,前者较后者在6、7、8和9月24 h台风强度预报中,平均绝对误差分别下降了23.34%、24.46%、19.41%和27.45%,4个月的平均绝对误差下降了23.10%;48 h台风强度预报中,6—9月平均绝对误差分别下降了44.82%、16.73%、0.89%和49.26%,4个月的平均绝对误差下降了25.54%。进一步研究发现,在变动局部线性嵌入算法忌近邻个数的情况下,建立的台风强度集合预报模型,其预报结果稳定可靠,相对于气候持续法均为正的预报技巧水平,为台风强度客观预报提供了新的预报工具和预报建模方法。

关键词：局部线性嵌入粒子群-神经网络集合预报气候持续法台风强度

预报因子选择的条件数方法及其在台风强度预报中的应用

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数学的实践与认识 2014年第23期44卷 146-152页

作者：农吉夫广西民族大学理学院广西南宁530006

选择合适的变量是建立多元线性回归方程的重要问题.以减弱诸多变量之间的复共线性为目标,采用条件数分析方法选择多元回归模型的自变量.最后以西北太平洋海域2001-2011年5-7月的台风强度为研究对象,利用条件数方法建立预报方程进行预报... 详细信息

选择合适的变量是建立多元线性回归方程的重要问题.以减弱诸多变量之间的复共线性为目标,采用条件数分析方法选择多元回归模型的自变量.最后以西北太平洋海域2001-2011年5-7月的台风强度为研究对象,利用条件数方法建立预报方程进行预报试验,并进一步将该预报方法与逐步回归方法进行对比分析.

关键词：复共线性条件数预报因子台风强度

基于KPCA的台风强度神经网络集合预报方法研究

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气象科学 2013年第2期33卷 184-189页

作者：史旭明金龙黄小燕广西气象减灾研究所南宁530022

针对影响台风强度前期预报因子较多以及因子的非线性变化特点,首先采用逐步回归方法筛选出部分预报因子,再利用核主成分分析方法在剩余的预报因子中提取包含了原数据较多信息的核主成分与前期选入的预报因子共同作为模型输入。进一步考... 详细信息

针对影响台风强度前期预报因子较多以及因子的非线性变化特点,首先采用逐步回归方法筛选出部分预报因子,再利用核主成分分析方法在剩余的预报因子中提取包含了原数据较多信息的核主成分与前期选入的预报因子共同作为模型输入。进一步考虑到神经网络集合预报中个体的准确性和差异性的权衡问题,在不同的初始条件下生成若干组神经网络,分别选择每组中性能最优的个体,建立了一种新的非线性神经网络集合预报模型。最后以西北太平洋海域2001—2010年5—10月的台风强度为研究对象进行了预报试验。结果表明,这种神经网络集合预报模型的预报结果符合实际应用的要求,其预报平均绝对误差明显小于同等条件下的神经网络方法和逐步回归预报方法。

关键词：台风强度核主成分分析神经网络集合预报

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三类物理过程对台风强度影响的研究

测绘科技动态 2003年第6期61卷 718-732页

作者：任健马镜娴陈联寿罗哲贤南京气象学院南京210044 中国气象科学研究院北京100081

文中设计了一个极坐标系的准地转正压模式 ,一个直角坐标系定常台风环流条件下的准地转正压模式和一个直角坐标系非定常台风环流的准地转正压模式 ,其径向或水平格距均为 2km ,以研究三类物理过程对台风强度的影响 ,即沿方位角方向的线... 详细信息

文中设计了一个极坐标系的准地转正压模式 ,一个直角坐标系定常台风环流条件下的准地转正压模式和一个直角坐标系非定常台风环流的准地转正压模式 ,其径向或水平格距均为 2km ,以研究三类物理过程对台风强度的影响 ,即沿方位角方向的线性平流 ,沿径向的线性平流以及非线性平流对中尺度涡旋涡量内传和台风强度变化的影响。结果指出 :沿方位角方向的线性平流可导致螺旋状涡带的形成 ;沿径向的线性平流在一定的参数集合可使涡量内传 ,台风略有增强 ;定常台风环流条件下扰动涡量的非线性平流可使内传涡量明显增加 ,台风明显增强 ;非定常台风环流条件下非线性平流的作用具有两重性 ,一方面可使内传涡量增多 ,有利于台风的增强 ,另一方面 ,在涡量内传过程中 ,原先呈同心圆轴对称的台风基流结构受到破坏 ,形成复杂流型 ,这又使台风趋于减弱。最后讨论了这些结果在台风强度预测方面的可能应用。

关键词：台风强度线性平流螺旋状涡带内传涡量预测中尺度涡旋位置台风分析

粒子滤波同化方法在台风强度的目标观测研究中的应用

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粒子滤波同化方法在台风强度的目标观测研究中的应用

作者：张晶晶兰州大学

学位级别：硕士

台风是一种灾害性天气系统,准确及时的台风强度、路径和风雨预报,具有非常重要的意义。其中,台风强度的预报一直是热点也是难点,由于影响台风强度变化的因素多且复杂,强度预报的不确定性大,尤其是初始场的不确定性,而初始条件的误差又... 详细信息

台风是一种灾害性天气系统,准确及时的台风强度、路径和风雨预报,具有非常重要的意义。其中,台风强度的预报一直是热点也是难点,由于影响台风强度变化的因素多且复杂,强度预报的不确定性大,尤其是初始场的不确定性,而初始条件的误差又可部分归因于常规观测网的缺陷,因此,可以通过增加观测,改进模式的初始场,提高台风强度的预报技巧。本研究通过使用一种经济有效的观测手段——目标观测,针对西北太平洋的台风开展可预报性研究,利用一种先进的非线性、非高斯资料同化方法——SIR粒子滤波同化方法研究台风强度的目标观测敏感区,分别确定了预测台风强度时,纬向风u、经向风v、位势高度z、相对湿度r和温度t对应的目标观测敏感区,并且使用SIR粒子滤波同化方法进一步验证了同化各变量对应的敏感区内的观测对提高台风强度预报技巧的有效性,最后通过比较同化各变量对应的敏感区内的观测后集合预报技巧的改进情况,分析台风强度的目标观测研究中相对敏感的变量。主要结论如下:首先,利用SIR方法确定了16个台风个例的所有基本气象要素(纬向风u、经向风v、位势高度z、相对湿度r和温度t)分别对应的目标观测敏感区,结合环流场及其他气象要素场的分布,总结了各变量对应的敏感区分布特征。结果表明:台风与副热带高压(简称副高)相互作用的转向流以及中纬度槽对台风有较大的影响,风场(纬向风u和经向风v)和位势高度场的敏感区主要分布在与这些天气系统有密切关系的区域;台风周围干空气的分布配合风场的作用也会对台风造成影响,湿度场的敏感区主要分布在相关区域;温度场与风场的配置,引起的冷暖平流与温度场的敏感区分布有一定程度的关联。接着从敏感区的水平分布和垂直分布两个方面分析16个个例的所有基本气象要素对应的敏感区统计特征。结果表明:大部分个例的风场敏感区主要位于台风的大风区和涡旋区,以及台风与副高相互作用的转向流区域,敏感区特征贯穿于低层至500 h Pa;位势高度场的敏感区分布特征与风场较为相似,只是位势高度场的敏感区更为靠近台风眼区;与风场和位势高度场的敏感区相比,温度场和湿度场的敏感区分布都比较分散,敏感区的“个例依赖性”较大,统计特征不明显,但总体而言,温度场的敏感区主要分布在台风外部的西北方向,垂直方向上主要分布在925 h Pa-850 h Pa(低层)以及200 h Pa(高层),湿度场的敏感区更多的分布在台风外部的东北方向和西北偏北方向,敏感区主要在925 h Pa-700 h Pa(中低层)。结合要素场的分布发现,在一部分台风个例中,温度场的敏感区主要分布在冷暖平流较大的区域,但是这类敏感区往往距离台风中心位置较远,是否为虚假信息有待进一步分析,湿度场的敏感区与干空气的分布及环流场的配置有很大关联,不同台风个例干空气的分布特征不同,但整体而言,干空气主要分布在台风外围的边缘区域。确定敏感区之后,我们继续使用SIR方法验证各变量对应的敏感区有效性及其持续性。结果表明:纬向风u、经向风v和相对湿度r对应的敏感区都通过了有效性验证,但温度t和位势高度z的敏感区有效性远不及纬向风u、经向风v和相对湿度r。相比较而言,同化纬向风u和经向风v对应的敏感区内的观测,对台风强度预报的改进程度最明显,改进个例数最多。综上,我们认为在台风强度的目标观测研究中,纬向风u、经向风v和相对湿度r是相对敏感的变量。在开展实际的台风强度预报时,如果我们能通过目标观测手段获取敏感变量的敏感区内的观测,使用资料同化方法同化这些观测从而改善初始场,就有可能在经济代价较小的情况下较大程度的提高台风强度的集合预报技巧。

关键词：粒子滤波目标观测台风强度可预报性