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集合平均所构成的动力系统及其特性研究

大气科学学报 2014年第6期37卷 723-731页

作者：王鹏飞温冠环黄刚中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心北京100190 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 中国科学院大学北京100049

以Lorenz系统为例,推导出集合平均所定义的完整动力方程(均值方程),将初值的集合平均问题作为一个广义的动力系统问题来进行研究;对于双初值和多初值的均值方程,利用定性理论分析了其吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结... 详细信息

以Lorenz系统为例,推导出集合平均所定义的完整动力方程(均值方程),将初值的集合平均问题作为一个广义的动力系统问题来进行研究;对于双初值和多初值的均值方程,利用定性理论分析了其吸引中心的位置和个数,并使用数值试验进行了验证,结果表明平均值的吸引子的结构与原解的吸引子位置、数量和结构均有不同。对均值方程的特征矩阵分析表明,定点附近的稳定性与原方程相同,而且特征方程所对应的特征值也与原方程相同。均值方程对应的相流散度为负值且数值上与原系统相同,因此其在相空间中的体积收缩速度和原系统相同,最终趋向一个低纬曲面,均值方程的这个性质使得Lorenz系统的集合平均解趋于一个吸引子。均值方程可以保持原方程的耗散特性、吸引子特性,但稳定点位置和个数发生了变化,非定点处的Jacobian矩阵特征值与原系统也有不同。简而言之,一旦使用了集合平均方法,那么集合数值解并不是原系统的解,仅保持了原系统的部分特征,因而集合平均是否有效需要根据具体问题和其他外部限定条件才能确定。

关键词： Lorenz方程集合平均稳定性 Jacobian矩阵

集合平均方法减小混沌系统计算误差的效果研究

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气候与环境研究 2016年第5期21卷 557-566页

作者：王鹏飞毕淑婷中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心北京100190 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

研究了Lorenz非线性系统中使用的集合平均方法来减小计算误差的效果,通过检查5组数值试验(每组20个样本)的结果发现:集合平均对计算误差的减小和消除不如高精度算法有效,这主要体现在以下几方面:1)普通的算法和双精度的计算环境中,若截... 详细信息

研究了Lorenz非线性系统中使用的集合平均方法来减小计算误差的效果,通过检查5组数值试验(每组20个样本)的结果发现:集合平均对计算误差的减小和消除不如高精度算法有效,这主要体现在以下几方面:1)普通的算法和双精度的计算环境中,若截断误差是主导误差(当初值误差很小时),各集合的平均结果并不收敛于真值,而是收敛于含截断误差的数值解;2)若初值误差为主导时,系统受到初值误差增长规律的影响,数值解收敛于由初值误差主导的误差解;3)这两种误差量级接近的时候,两种误差都无法消除掉。对解的统计特征进行研究表明,可信的数值解与含计算误差的数值解有许多相似的地方,但是与集合平均的数值解有很大不同,同样说明了集合平均不适用于减小计算误差这样的问题。此外,试验结果表明即使数值解的概率分布形式基本正确,也不能保证数值解是正确的。

关键词：集合平均计算误差统计特征 Lyapunov指数

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一种新的集合预报权重平均方法

应用气象学报 2006年第4期17卷 488-493页

作者：段明铿王盘兴南京信息工程大学大气科学系南京210044

提出了一种新的考虑权重的集合预报成员平均方法。使用气候等概率区间来对集合成员进行分组,并根据气候等概率区间的大小及其中的成员数,对集合成员的权重进行调整,得到了一种改进的集合平均预报结果。检验表明,它可以进一步提高集合平... 详细信息

提出了一种新的考虑权重的集合预报成员平均方法。使用气候等概率区间来对集合成员进行分组,并根据气候等概率区间的大小及其中的成员数,对集合成员的权重进行调整,得到了一种改进的集合平均预报结果。检验表明,它可以进一步提高集合平均预报的效果。相对于提高模式分辨率或发展庞大的集合预报系统,这种方法的效果是显著的。

关键词：集合预报集合平均权重气候等概率区间

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耦合TIGGE降水集合预报的洪水预报

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2015年第2期48卷 177-184页

作者：彭勇徐炜王萍油芳芳大连理工大学建设工程学部大连116024 重庆交通大学河海学院重庆400074

耦合数值降水预报信息的洪水预报延长了预见期,为防洪调度赢得了宝贵的决策时间.但'单一'的降水预报具有较大的不确定性,即基于'单一'的降水预报所做出的调度决策可能不是优化的,甚至可能会出现较大的偏差,因此在洪水预报中引入了降水... 详细信息

耦合数值降水预报信息的洪水预报延长了预见期,为防洪调度赢得了宝贵的决策时间.但'单一'的降水预报具有较大的不确定性,即基于'单一'的降水预报所做出的调度决策可能不是优化的,甚至可能会出现较大的偏差,因此在洪水预报中引入了降水集合预报信息来考虑相应的降水不确定性.文中以桓仁水库以上流域为试验流域,将欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的降水集合预报数据驱动新安江模型,得到预报径流的区间范围,为决策者提供更多有用的风险信息.计算结果表明,ECMWF降水集合预报可用于洪水预报,且能较好地描述洪水预报的不确定性.根据集合平均降水预报的特点,对集合平均降水数据进行了修正,并将修正后的集合平均数据驱动水文模型,其预报效果有了很大的改善.

关键词：降水集合预报洪水预报集合平均

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回转误差测试中系统噪声分离技术

北京航空航天大学学报 2020年第4期46卷 666-673页

作者：冯明周程瑜张坤王新杰北京科技大学机械工程学院北京100083

高精度主轴的回转误差和测试系统的噪声常处于同一水平,这极大地影响了用频域三点法测量主轴回转误差的准确性。针对同步误差(SEM),提出了对含噪声信号进行等角度采样重构、集合平均和小波滤波的组合降噪处理方法,提出了根据传感器和被... 详细信息

高精度主轴的回转误差和测试系统的噪声常处于同一水平,这极大地影响了用频域三点法测量主轴回转误差的准确性。针对同步误差(SEM),提出了对含噪声信号进行等角度采样重构、集合平均和小波滤波的组合降噪处理方法,提出了根据传感器和被测主轴直径定量确定小波分解层数的方法,经仿真实验证明其具有良好的去噪效果。针对异步误差(ASEM),提出了消除测试系统噪声的方法,研究了圈数对异步误差测试结果的影响规律。此外,搭建了测试系统,验证了所提方法的有效性。

关键词：回转误差三点法误差分离集合平均小波去噪

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机器学习对延伸期降水集合预报的订正分析

现代电子技术 2022年第7期45卷 86-91页

作者：陆振宇孔小翠张恒德黄威南京信息工程大学电子与信息工程学院江苏南京210044 国家气象中心北京100081

为了扩展气象业务中历史预报资料在集合预报产品中的应用性,本文尝试基于机器学习的后处理模型,对欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ECMF模式的数值天气预报模式生成的2019年5月—8月历史再预报(训练期)数据进行各模型参数训练,可对2019年5月... 详细信息

为了扩展气象业务中历史预报资料在集合预报产品中的应用性,本文尝试基于机器学习的后处理模型,对欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ECMF模式的数值天气预报模式生成的2019年5月—8月历史再预报(训练期)数据进行各模型参数训练,可对2019年5月—8月实时延伸期月降水预报(预报期)进行集合预报分析,均选取华东地区(23.0°N~38.5°N,113.0°E~123.0°E)。采用均方根误差和绝对误差插值空间分布对预报订正效果进行评估,通过K-近邻算法(KNN)、Bagging算法、随机森林(RF)、梯度提升回归树(GBRT)、极端随机树(ET)这5种后处理回归模型的预报订正效果的对比表明:5种后处理模型的均方根误差随预报时效的增长呈现波动变化;受地形分布的影响,华东地区的北部均方根误差较小,从空间分布清楚得出,K-近邻算法的订正预报效果最好,对应的平均绝对误差在10~20 mm,其他4种机器学习模型的误差在50~100 mm。

关键词：集合平均历史再预报延伸期降水预报 K-近邻算法机器学习均方根误差插值分布

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随机强迫对集合预报效果的影响研究

气象学报 2013年第3期71卷 505-516页

作者：陈超辉李崇银谭言科曾新民周祖刚解放军理工大学气象海洋学院南京211101 中国科学院大气物理研究所LASG 北京100029

以Lorenz96模式为动力框架,建立了考虑模式随机强迫不确定性的集合预报系统,并选择模式气候态和集合平均预报效果为研究对象,研究随机强迫对集合预报效果的影响。结果表明,在数值模式积分过程中引入恰当的随机强迫构成的新计算范式,较... 详细信息

以Lorenz96模式为动力框架,建立了考虑模式随机强迫不确定性的集合预报系统,并选择模式气候态和集合平均预报效果为研究对象,研究随机强迫对集合预报效果的影响。结果表明,在数值模式积分过程中引入恰当的随机强迫构成的新计算范式,较非随机强迫更接近真值的气候平均与气候标准差,对刻画数值模式的气候态也有正效果;且随机强迫的正效果主要体现在长时效阶段。集合平均预报方面,绝大部分白噪声随机强迫对应的集合预报效果优于非随机强迫集合预报,集合预报效果也随白噪声强迫增大非单调变化,并且非线性系统不同,相同比率的白噪声随机强迫产生的效果也不同。同时,绝大部分红噪声随机强迫对应的集合预报效果也优于非随机强迫集合预报,但仅部分φ(表示所引入外强迫的随机性部分和确定性部分相互耦合的一个度量)值对应的红噪声强迫集合预报优于白噪声随机强迫集合预报;而且红噪声随机强迫集合预报改善效果随系数φ的正负分布非对称且非单调变化。此外,相关系数φ的选择也依赖于模型。

关键词：集合预报随机强迫集合平均 Lorenz96模式

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

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热带气象学报 2014年第5期30卷 941-951页

作者：孙敏袁慧玲上海中心气象台上海200030 南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室江苏南京210093 江苏省气候变化协同创新中心江苏南京210093

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 ... 详细信息

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。

关键词：天气学强降水数值模拟积云对流参数化微物理参数化台风“莫拉克” 集合平均

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一次短期集合预报试验

气象科学 2005年第1期25卷 32-39页

作者：纪飞董佩明齐琳琳北京航空气象研究所北京100085

数值模式中物理过程描述不准确是造成数值预报误差的主要来源之一,采用数值模式中不同物理过程的集合预报方案是减小模式预报误差的有效方法。本文结合一个典型的夏季东北冷涡型降水天气过程,选用不同的积云对流参数化方案、显式降水方... 详细信息

数值模式中物理过程描述不准确是造成数值预报误差的主要来源之一,采用数值模式中不同物理过程的集合预报方案是减小模式预报误差的有效方法。本文结合一个典型的夏季东北冷涡型降水天气过程,选用不同的积云对流参数化方案、显式降水方案、辐射方案以及模式采用不同的地表分辨率构成 10 集合预报成员,进行了 48 h的预报。结果显示集合预报在总体预报效果上比各个集合成员的预报效果好,简单的集合平均就可以提高模式形势场和降水要素场的预报准确率。在集合平均提高预报准确率的同时,采用天气系统移动路径图、面条图以及降水概率预报等方法,可以增强小概率事件的预报能力。

关键词：集合预报集合平均降水概率