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融合EOF分解及CNN-LSTM神经网络的PM预测

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环境科学 2024年

作者：李明明王小兰岳江陈玲汪文雅杨爱琴山西省气象科学研究所

利用2016～2020年太原市地面气象资料和环境空气质量资料，分析了太原市PM2.5浓度的时间和空间的变化特征，运用EOF分解诊断分析方法，对太原市PM2.5浓度时空变化特征进行了研究，同时利用随机森林模型分析了气象因子的重要性，建立基于... 详细信息

利用2016～2020年太原市地面气象资料和环境空气质量资料，分析了太原市PM2.5浓度的时间和空间的变化特征，运用EOF分解诊断分析方法，对太原市PM2.5浓度时空变化特征进行了研究，同时利用随机森林模型分析了气象因子的重要性，建立基于CNN-LSTM神经网络的PM2.5浓度预报模型。结果表明，2016～2020年太原市区PM2.5浓度年均值总体上呈现出逐年减少的趋势，高值主要出现在11月、12月、1月和2月，18:00至翌日的02:00日易出现PM2.5浓度峰值，PM2.5浓度年均值呈现自西北向东南逐渐增加的趋势。PM2.5浓度的EOF分解：模态1特征向量的方差贡献率为49.4%，模态2特征向量的方差贡献率为30.8%，以晋源-巨轮-南寨为界，负值区主要在东南，中心位于东南部的小店，正值区则主要位于西北，其中心位于金胜。PM2.5浓度与相对湿度、露点温度之间显著正相关；与风速、降水量和混合层高度主要表现为负相关，与通风量和自净能力也主要呈现一般负相关，与气温相关性不明显。相对湿度、露点温气压、度和混合层高度在四个季节特征排序中均占较为重要的地位，其次是风速、风向、通风量和自净能力重要程度相对一般。采用CNN-LSTM模型建模，PM2.5浓度预测的R2在春、夏、秋和冬这4个季节分别为0.805、0.826、0.897和0.901，4个季节R2均在0.8以上，在4个季节CNN-LSTM模型的预测残差值均近似于正态分布，模型的绝对误差控制在10μg·m-3以下的预测结果夏季最高达到81.2%，秋季和春季次之，分别为75.9%和62.9%，冬季表现一般，有51.5%预测结果的绝对误差低于10μg·m-3。

关键词：气象特征 EOF分解 PM 浓度 CNN神经网络 LSTM神经网络预测

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赣南脐橙气候品质归一化指数构建

农业工程学报 2024年第7期40卷 335-342页

作者：李翔翔杨爱萍金国花丁美萍杨军江西省农业气象中心南昌330096 江西省气象科学研究所南昌330096 信丰县气象局赣州341600

为建立赣南脐橙综合品质的气候评价方法,该研究基于2008—2011年和2021—2022年赣南脐橙单果质量、维生素C和固酸比等品质因子实测和气象资料,首先通过品质与气象要素的逐旬相关系数动态变化规律,找出关键气象要素及其影响时段;然后基... 详细信息

为建立赣南脐橙综合品质的气候评价方法,该研究基于2008—2011年和2021—2022年赣南脐橙单果质量、维生素C和固酸比等品质因子实测和气象资料,首先通过品质与气象要素的逐旬相关系数动态变化规律,找出关键气象要素及其影响时段;然后基于关键影响时段的气象要素,采用逐步回归法建立各品质因子的气象关系模型,并且结合“最大最小值”归一化法和加权求和法,模拟得到1981—2020年赣南脐橙综合品质指数(composite quality index,CQI);最后,基于综合品质指数与气象要素的相关性,构建赣南脐橙气候品质归一化指数(normalized climate-quality index,NCI)及其等级阈值。结果表明:各品质因子与光温要素相关性分为3个阶段,初夏(6月)和秋季(10—11月)光温充足有利于赣南脐橙品质提升,盛夏(7—8月)晴热高温对营养品质和风味不利;影响赣南脐橙综合品质指数(CQI)的关键气象要素为6月累积日照时数、7月上旬至9月中旬平均最高气温和9月下旬至10月下旬平均最高气温,基于以上要素构建的赣南脐橙气候品质归一化指数NCI≤0.45、0.450.65分别表示为差、较优、优和特优等级;利用2021—2022年宁都县和信丰县品质实测资料进行验证,NCI偏差多在0.07以内。该研究可为柑橘品质的敏感气象要素识别和气候品质评价研究提供一定参考。

关键词：品质气候农业评价模型赣南脐橙

川渝地区一次短时强降水天气的集合敏感性分析

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气象 2024年第4期50卷 407-419页

作者：陈良吕夏宇重庆市气象科学研究所重庆401147 北京城市气象研究院北京100089

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机... 详细信息

为了加深对川渝地区短时强降水天气的认识,为提高业务预报技巧及改进数值模式提供参考,选取了川渝地区一次短时强降水天气过程,基于对流尺度集合预报系统,开展了目标区域平均降水量对模式初值的集合敏感性分析,并探讨了相应的动力学机制。主要结论如下:敏感区的分布与对目标区域降水起到关键影响作用的系统有较好的对应:850 hPa和700 hPa西南低涡周围的敏感区呈现出正负相间的分布特征,500 hPa低压槽左(右)侧为负(正)敏感区,250 hPa高空西南急流区域(南侧)为正(负)敏感区,中低层与锋区前(后)部对应区域为正(负)敏感区。说明西南低涡周围负(正)敏感区的西北(东南)风越强,低压槽左(右)侧西北(东南)风越强,高空急流区域(南侧)西南(东北)风越强以及锋前(后)温度越高(低),则越有利于西南低涡内的辐合上升运动,500 hPa低压槽的加强,250 hPa高空辐散的加强,锋区温度梯度增大以及锋面抬升作用加强等并对目标区域的降水产生正面的影响。

关键词：集合预报集合敏感性川渝地区短时强降水

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海南岛天然橡胶产量和气候适宜度相关性研究

生态科学 2024年第1期43卷 154-159页

作者：佟金鹤张卫红刘少军甘业星海南省气象科学研究所/海南省南海气象防灾减灾重点实验室海口570203 河北省气象科学研究所石家庄050022

使用气候适宜度指数方法对海南岛橡胶树气候适宜性进行评价,并选择去趋势互相关分析(DCCA)方法对橡胶树单产和气候适宜度进行相关性分析。结果表明:海南岛橡胶单产在东部和西部较低,最低值出现在文昌,为657.30kg·hm^(-2);最高值为三亚... 详细信息

使用气候适宜度指数方法对海南岛橡胶树气候适宜性进行评价,并选择去趋势互相关分析(DCCA)方法对橡胶树单产和气候适宜度进行相关性分析。结果表明:海南岛橡胶单产在东部和西部较低,最低值出现在文昌,为657.30kg·hm^(-2);最高值为三亚的1376.54kg·hm^(-2)。海南岛中部单产的变化幅度较小,其余地区单产均呈明显增加趋势,线性倾向率普遍超过10 kg·hm^(-2)·a^(-1)。海南岛中部和东部综合适宜度水平较高,适宜度指数超过0.70,西部适宜度水平较低,为0.39;温度和光照适宜度指数空间差异小,整体在0.80和0.70以上;降水适宜度指数在中部和东部较高,西部南部偏低,数值在0.42—0.77之间;风速适宜度在中部和南部超过0.75,在西部和北部适宜度指数偏低,最低达到0.18。DCCA分析结果显示,气候适宜度与橡胶单产存在明显的长程相关关系,降水和产量的相关性最高,风速相关性最低;空间上,东部相关性较低,西部、北部和和南部相关性稍高。

关键词： DCCA 天然橡胶产量气候适宜度指数

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东北地区水稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估指标构建

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应用生态学报 2024年第3期35卷 731-738页

作者：吕佳佳初征李百超宫丽娟周宝才刘丹王冬妮姜丽霞中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室哈尔滨150030 黑龙江省气象科学研究所哈尔滨150030 黑龙江省生态气象中心哈尔滨150030 吉林省气象科学研究所长春130062

构建东北地区水稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估等级指标,对阐明中高纬度地区冷涡型复合灾害叠加效应对水稻产量损失的影响机制具有参考意义,可为保障中国优质粳稻安全生产、区域减灾增效提供气象支撑。本研究利用生育期资... 详细信息

构建东北地区水稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估等级指标,对阐明中高纬度地区冷涡型复合灾害叠加效应对水稻产量损失的影响机制具有参考意义,可为保障中国优质粳稻安全生产、区域减灾增效提供气象支撑。本研究利用生育期资料、气象资料、产量资料,界定并构建寒稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境发生指数,采用BP神经网络法分层次分析致灾因子与产量结构的关系度、不同产量结构与产量的关系度,解析复合致灾过程,基于K-均值聚类方法及历史典型灾害年确定灾害临界值和等级,建立冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估指标及评估模型,并分析东北三省水稻开花期低温多雨寡照的时空分布特征。结果表明:研究区水稻开花期轻度、中度、重度冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估指标临界阈值分别为[0,0.21]、[0.21,0.32]、[0.32,0.64],产量损失率分别为[0,0.03]、[0.03,0.08]、[0.08,0.096]。基于1961—2020年随机11年总计751条样本的验证结果显示,利用本研究构建复合指数计算的减产等级与实际减产等级一致的站点比例为63.7%,各年均超过58.0%;一致或相差1级的站点比例为88.3%,各年均超过85.0%。该指标能够很好地评估冷涡型复合灾害造成的东北地区水稻产量损失率。

关键词：水稻开花期冷涡型复合灾害复合指数产量损失

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江西省柑橘生育期内高温热害时空分布特征

中国农业气象 2024年第7期45卷 786-797页

作者：张方亮金国花杨军李翔翔李迎春江西省气象科学研究所南昌330096 江西省农业气象中心南昌330096

利用江西省1981-2022年逐日气象资料和柑橘生育期资料,选取日平均气温、日最高气温和热害持续天数作为柑橘高温热害指标,明确柑橘生育期内高温热害空间分布特征和时间变化趋势;采用配对t检验方法,对比柑橘不同生育期内高温热害时空差异... 详细信息

利用江西省1981-2022年逐日气象资料和柑橘生育期资料,选取日平均气温、日最高气温和热害持续天数作为柑橘高温热害指标,明确柑橘生育期内高温热害空间分布特征和时间变化趋势;采用配对t检验方法,对比柑橘不同生育期内高温热害时空差异。结果表明:(1)柑橘开花-果实膨大期高温热害发生频率、发生次数和发生强度均值分别为87.73%、2.23次·a^(-1)和5.28d·次^(-1),高值区主要分布在江西东南部。柑橘果实膨大-果实着色期高温热害发生频率、发生次数和发生强度均值分别为56.43%、1.15次·a^(-1)和2.74d·次^(-1),高值区主要分布在赣北和赣中地区。(2)研究期内柑橘开花-果实膨大期高温热害站次比、发生次数和发生强度均呈下降趋势,平均每10a分别减少0.90个百分点、0.02次和0.06d·次^(-1)。柑橘果实膨大-果实着色期高温热害站次比、发生次数和发生强度均呈上升趋势,平均每10a分别增加6.80个百分点、0.26次和0.50d·次^(-1)。(3)配对t检验结果表明,柑橘开花-果实膨大期高温热害发生频率、发生次数和发生强度均极显著大于果实膨大-果实着色期;而柑橘开花-果实膨大期高温热害发生次数和发生强度的气候倾向率均极显著小于果实膨大-果实着色期。江西柑橘开花-果实膨大期是高温热害高发时期。目前,需加强对柑橘开花-果实膨大期高温热害的防御;未来应提高对柑橘果实膨大-果实着色期高温热害的预防。

关键词：柑橘生育期高温热害空间分布时间变化

江西省积冰特征分析及重冰区不同重现期最大标准冰厚推算

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热带气象学报 2024年第1期40卷 75-84页

作者：彭王敏子宋丽莉徐卫民沈竞蒋子瑶廖荣伟江西省气象科学研究所江西南昌330096 中国气象科学研究院北京100081

用江西境内85个国家气象站近30年雨凇、雾凇观测记录分析了江西省积冰日的年际、年代际变化及分布特点。结果表明江西地区的积冰天气事件近30年来总体呈现发生频次减少,强度增强的特征;高山气象站的积冰事件的发生频率显著高于平原、丘... 详细信息

用江西境内85个国家气象站近30年雨凇、雾凇观测记录分析了江西省积冰日的年际、年代际变化及分布特点。结果表明江西地区的积冰天气事件近30年来总体呈现发生频次减少,强度增强的特征;高山气象站的积冰事件的发生频率显著高于平原、丘陵气象站。积冰高发区主要分布在西、北山区及中部环鄱阳湖及抚河流域以南。另外,充分考虑2011年前后气象部门观测导线线径的变化,利用建站至今16个观冰站电线积冰数据对全省范围的最大电线积冰最大标准厚度进行了推算,结果更符合电力行业对电线积冰工程气象数据的需求。结果表明,除赣北山区外,全省大部分地区2 m高度电线积冰最大标准冰厚度小于20 mm,“轻冰区”范围较多。应重点关注高海拔山区的电线积冰的致灾状况并加以预防。针对该区域架空输电线路电线积冰设计的实际需要,采用极值I型概率分布函数结合高山站-庐山站的观测数据进行了推算,20 m高度百年一遇的最大标准冰厚达到71.1 mm,在计算不同走向的导线设计冰厚时迎风向与非迎风向的比例系数推荐设定为1.2,该结果可为现阶段江西“重冰区”电力工程项目规划设计中预防冰灾提供有力支持,为有效节省项目建设成本和科学预防气象灾害之间寻求平衡点提供气象保障。

关键词：积冰日电线积冰重冰区标准冰厚

基于探空的FY-4B/GIIRS温湿廓线检验和订正

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应用气象学报 2024年第5期35卷 538-550页

作者：金子琪余贞寿郝世峰张红蕾陆正奇张树宪浙江省气象科学研究所杭州310052 浙江省气象台杭州310017

以探空资料为基准,对2023年2月—2024年1月风云四号气象卫星B星(FY-4B)干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)温湿廓线产品开展检验评估,分析误差特征,并利用概率密度匹配法(PDF方法)对云天温度廓线进行订正。结果表明:晴天条件下温度平均偏差为-... 详细信息

以探空资料为基准,对2023年2月—2024年1月风云四号气象卫星B星(FY-4B)干涉式大气垂直探测仪(GIIRS)温湿廓线产品开展检验评估,分析误差特征,并利用概率密度匹配法(PDF方法)对云天温度廓线进行订正。结果表明:晴天条件下温度平均偏差为-0.3~1 K,均方根误差在2 K以内;湿度平均偏差为0~1.3 g·kg^(-1),均方根误差最大值位于近地层,约为2.1 g·kg^(-1)。云天条件下偏差增大,平均偏差整体呈正值,温度均方根误差为2.2~2.7 K,湿度均方根误差最大值约为3 g·kg^(-1)。12:00(世界时,下同)近地层温度偏差较00:00有所增大;晴天条件下,12:00400 hPa以下的湿度偏差大于00:00;云天条件下,00:00750~950 hPa的湿度偏差大于12:00。云天条件下温湿廓线系统性偏差明显,与质控码为0的样本相比,质控码为1的样本偏冷、偏干加剧,且偏差分布更为离散,温度偏差呈不对称的双峰分布。PDF方法可有效减小FY-4B/GIIRS温度廓线的系统性偏差,订正后,质控码为0和1的样本平均偏差分别由0.74 K和2.07 K下降至-0.03 K和0.01 K,均方根误差分别由1.89 K和3.20 K减小至1.73 K和2.34 K。

关键词： FY-4B/GIIRS 探空资料温湿廓线检验评估概率密度匹配法

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多种模式降水预报的稳定性特征研究

气象 2024年第4期50卷 420-433页

作者：曲巧娜吴炜山东省气象防灾减灾重点实验室济南250031 山东省气象科学研究所济南250031

预报的稳定性是指对同一时段在不同时间发布的多时效预报结论的一致性,是模式预报质量的一个重要方面,较大的不稳定性会给使用者造成困扰。为深入了解业务常用模式的稳定性,使用相对标准偏差指标计算不同时效预报的降水量波动大小,并改... 详细信息

预报的稳定性是指对同一时段在不同时间发布的多时效预报结论的一致性,是模式预报质量的一个重要方面,较大的不稳定性会给使用者造成困扰。为深入了解业务常用模式的稳定性,使用相对标准偏差指标计算不同时效预报的降水量波动大小,并改进了Flip-Flop指数(改进后简称FF_(norm)),计算多时效降水量预报变化趋势的翻转程度,衡量预报变化趋势的稳定性,对2种全球模式(ECMWF、NCEP-GFS)、3种区域模式(CMA-MESO、CMA-SH9、HHUPS-ST),在中国6个气候分区中降水预报的稳定性进行对比分析,分为实况有降水和暴雨及以上降水2种情况进行了讨论。结果表明:实况有降水时,相对区域模式来说,全球模式的多时效降水预报的相对标准偏差较小,即模式降水量预报的波动较小;各模式对西南区的西部、东北区的东部以及华南区的南部预报的波动性相对较小,西北区的西部波动性较大。就多时效降水量预报变化趋势而言,2种情况下均为CMA-MESO、NCEP-GFS和ECMWF的稳定性较好,其FF_(norm)指数小于HHUPS-ST和CMA-SH9模式,其中CMA-MESO对西南区、华南部分地区降水量预报变化趋势的稳定性较为突出;CMA-SH9的指数最大,多时效降水量预报变化趋势稳定性较差;各模式对长江中下游地区的FF norm指数相对较大,多时效预报趋势的稳定性较差。有降水时,CMA-MESO随时效临近的降水量预报变化趋势稳定(单调递增、单调递减或不变)的频次最多,其次是NCEP-GFS,2种降水情况下,该2种模式的降水量预报均为随时效临近单调递增次数大于递减次数,且CMA-MESO单调递增特征尤其显著。以上特征能够为模式调试和预报决策提供参考。

关键词：多时效降水量预报相对标准偏差改进的Flip-Flop指数稳定性