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基于多神经网络的动态权重集成温度预报订正研究

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热带气象学报 2024年第1期40卷 156-168页

作者：朱育雷杨静钟水新朱文达李智玉魏涛李彦霖顾天红中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641 贵州省气象台贵州贵阳550002

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明:(1)在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、W... 详细信息

基于CMA-GD模式预报数据,利用多神经网络的动态权重集成方法,开展了贵州省温度预报订正研究,最终获得本地化温度预报订正产品。结果表明:(1)在对历史数据检验评估的基础上,利用多种神经网络方法可有效降低模式系统误差,通过BP、BP_GA、WAVENN、GRNN、LSTM等神经网络订正,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低0.01~0.17℃;(2)考虑到不同神经网络订正结果的差异性,采用动态权重方案对订正结果进行优势集成可显著提升预报可靠性。经集成后的温度预报效果优于模式直接输出和各神经网络订正结果,2020年贵州省0~72 h预报时效的温度平均绝对误差较模式降低14.93%,预报准确率提升8.24%。此外,动态权重集成后的订正结果还表现出较好的稳定性。基于该方法形成的本地化客观预报订正产品可为提升贵州复杂地形下温度预报质量以及精细化预报服务水平提供参考依据。

关键词：神经网络集成方法 2 m温度订正 CMA-GD

南海台风模式对台风利奇马快速增强预报能力研究

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气象 2024年第5期50卷 532-546页

作者：黄燕燕陈子通冯业荣张艳霞徐道生郑彬靳卫卫中国气象局广州热带海洋气象研究所/区域数值天气预报重点实验室广州510640 中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司天津300452

针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性... 详细信息

针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性试验。CMA-TRAMS和HRES对“利奇马”增强具有一定预报能力,但对快速增强的速度预报明显低于实况,均不能满足24 h和12 h快速增强标准,可达到6 h快速增强标准。CMA-TRAMS采用3 km分辨率对“利奇马”移动路径和强度变化的预报效果优于9 km分辨率,但未改进快速增强预报效果;采用3 km嵌套9 km的方案,模式对台风快速增强的预报效果明显提升。采用MRF边界层参数化方案对台风路径、强度、快速增强的预报效果总体优于YSU方案。海温参数化结合32层垂直分辨率的初始场和边界条件的方案明显提高了快速增强预报效果,预报快速增强的频次、增强的最大速度更接近实况。分析表明,海温参数化方案使海气温差增大,在短时间内对大气、海洋之间的热量输送和交换有明显影响,海洋向大气输送的感热通量和台风内核区的潜热通量加强使内核更暖湿、气压负倾向增大,是预报效果改进的主要原因。

关键词：台风快速增强可预报性 CMA-TRAMS 数值模拟海温参数化方案

2020年夏季一次暴雨事件伴随干侵入的位涡及垂直运动诊断分析

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热带气象学报 2024年第3期40卷 411-424页

作者：金趁意张冠舜龙雨青河南省商丘市气象局河南商丘476000 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东广州510641 中国气象局/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641

2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度(简称位涡)南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料,本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明:... 详细信息

2020年夏季我国长江流域频繁的暴雨事件与中、高纬度高位势涡度(简称位涡)南侵过程有关。基于观测和ERA5再分析资料,本文利用位涡诊断、垂直速度分解以及后向轨迹追踪模拟的方法对7月上旬一次暴雨过程进行了动力学归因研究。结果表明:中、高纬度高位涡的侵入往往伴随干侵入的发生,高位涡南侵与高层槽、脊系统振幅增大及其辐合/辐散过程对位涡的平流有关。动力上,高位涡侵入和低空位涡增强会导致等熵面的倾斜发展,反映在等熵面位移造成的垂直速度分量变化上;高空偏北风沿等熵面的下滑导致下沉垂直运动分量发展,进而形成干侵入过程;相反,偏南风沿等熵面的上升运动会向高层持续输送水汽,水汽抬升凝结导致与非绝热加热相关的垂直速度分量发展,进一步导致抬升运动加强,触发对流起始。对流发生后,强降水引起对流层中、低层的潜热释放,因其垂直分布在低空随高度增加而制造位涡,增强的低涡通过影响等熵面结构和垂直运动促进降水进一步增强,位涡、强降水以及与三个垂直速度分量之间的正反馈机制是长江流域暴雨维持和发展的重要原因。

关键词：位涡暴雨干侵入垂直运动后向轨迹追踪

7—9月登陆华南热带气旋频数异常与大气环流和海温的关系

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热带气象学报 2024年第2期40卷 169-177页

作者：伍红雨吴遥张柳红广东省气候中心广东广州510641 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641 重庆市气候中心重庆401147

利用1949—2021年中国气象局上海台风研究所热带气旋资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA重构的海表温度资料(SST)和大气向外长波辐射(OLR)资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验等方法分析了近73年7—9月登陆华南热带气旋频数的变化特... 详细信息

利用1949—2021年中国气象局上海台风研究所热带气旋资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA重构的海表温度资料(SST)和大气向外长波辐射(OLR)资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验等方法分析了近73年7—9月登陆华南热带气旋频数的变化特征。采用合成分析的方法研究7—9月登陆华南热带气旋频数异常与同期大气环流和海温的关系。结果表明,1949—2021年7—9月,登陆华南热带气旋有243个,年均3.3个,占全年登陆总数的70.2%。登陆华南热带气旋频数具有显著的年际和年代际变化特征。1973年最多(7个),1950年最少(0个);在1990年代中期由前期偏多转为后期偏少,但没有突变发生。近73年7—9月登陆华南热带气旋频数以0.1(10 a)^(-1)的速率减少。7—9月登陆华南热带气旋频数异常与大气环流和海温异常密切相关,在异常多、少年同期:(1)大气环流差值场上,南亚高压偏强、偏东、偏北,副高偏西、偏北、偏强,110°E以东的赤道东风引导气流偏强,季风槽加强,北半球中低纬海平面气压场东高西低,北高南低,同时南海、热带西太平洋对流活动加强。(2)海温差值场上,赤道中东太平洋偏冷,西太平洋暖池偏暖,沃克环流加强。高中低层大气环流和海温这种差异可能是导致登陆华南热带气旋频数异常的原因。

关键词：热带气旋频数大气环流海温华南

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

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热带气象学报 2024年第1期40卷 1-10页

作者：倪悦冯业荣黄燕燕潘宁福建省灾害天气重点实验室福建福州350008 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641 龙岩市气象局福建龙岩364000 福建省气象台福建福州350008

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体... 详细信息

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大(对模式地形高度偏低站点尤为明显),但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高(即模式地形高于测站高度)和地形高度偏差小于50m的站点,06时地面气温(世界时,下同)预报总体偏低,对地形高度偏低大于50m的站点(即模式地形低于测站高度),06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。

关键词：南海台风模式CMA-TRAMS 模式地形高度偏差地面气温误差分级订正

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利用机器学习模拟湿物理参数化方案

气象学报 2024年第1期82卷 113-126页

作者：陈锦鹏冯业荣黄奕丹蔡乐天洪晓湘文秋实厦门市海峡气象开放重点实验室厦门361012 福建省灾害天气重点实验室福州350001 福建省漳州市气象局漳州363005 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广州510641 粤港澳大湾区气象监测预警预报中心深圳518038

数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和... 详细信息

数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和卷积块注意力模块(CBAM)提取数值预报模式变量网格点周围的局部信息建模。针对一次中国南海台风过程开展湿物理参数化方案模拟试验,试验表明,4种机器学习模型均能较好地模拟湿物理参数化方案的温、湿效应,能够刻画台风对流活动产生的热源和水汽汇的螺旋结构。位温倾向在对流层中层误差较大,比湿倾向在对流层低层误差较大,随着预报时效延长模型的模拟能力有所降低。

关键词：机器学习湿物理参数化数值天气预报模式

热带海温对珠江三角洲春季灰霾日数年际变化的影响

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热带气象学报 2024年第4期40卷 547-556页

作者：张思球李春晖谷德军林爱兰广东电网有限责任公司阳江供电局广东阳江529525 中国气象广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641

利用1979—2018年广东省86站气象观测数据、NCEP再分析资料和ERSST海温资料,采用统计方法分析了年际尺度上热带海温对广东省珠江三角洲(简称珠三角)区域春季灰霾(SHDPRD)的影响。结果表明,东南太平洋海温(ISSTSEP)对SHDPRD起主导作用。... 详细信息

利用1979—2018年广东省86站气象观测数据、NCEP再分析资料和ERSST海温资料,采用统计方法分析了年际尺度上热带海温对广东省珠江三角洲(简称珠三角)区域春季灰霾(SHDPRD)的影响。结果表明,东南太平洋海温(ISSTSEP)对SHDPRD起主导作用。低层,当东南太平洋海温异常偏冷时,协同变化效应促使南印度洋海温也异常偏冷,激发冷Kelvin波东传,引起西太平洋Ekman辐合,导致异常气旋环流出现。异常气旋环流东北风通过等熵滑动机制诱发异常下沉运动,减少华南降水。高层,与ISSTSEP有密切相关的是500 hPa正EU遥相关,使得广东温度降低,降水偏少。EU遥相关调控局地气象要素,形成有利于灰霾形成的气象要素条件。反之亦然。受异常环流影响,与珠三角春季灰霾日数紧密联系的是降水、垂直速度和对流稳定度,其次是边界层厚度和低层东北风,最后是水汽。ENSO对SHDPRD有一定的调制作用。在El Ni?o(La Ni?a)年春季,珠三角水汽增加(减少),垂直上升(下沉)运动增强,降水增多(减少),广东灰霾偏少(多)。

关键词：珠江三角洲春季灰霾日数海温 ENSO 影响机制

利用DQCT实现2018年8月超历史极值暴雨的高质量模拟

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兰州大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 31-39页

作者：李博李帅康陈超钟水新华灯鑫徐波西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东省区域数值天气预报重点实验室广州510080 广东省气象台广州510062 西安市气象局西安710016

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西... 详细信息

构建较全面的双级质量控制技术(DQCT).利用中尺度天气预报模式(WRF)对2018年8月下旬华南地区一次超历史极值的暴雨过程进行高分辨率数值模拟,并用DQCT评判暴雨的模拟效果.结果表明,在暴雨形势背景场中用WRF成功模拟大尺度季风风场、西南暖湿气流与低压交汇过程,并准确复制了造成高潭镇极端降雨的中尺度对流系统.总降雨量中的中γ尺度极值暴雨中心模拟得较为准确.该模式在24 h降雨量模拟中成功复制了暴雨中心的演变过程;在6 h降雨量模拟中较好地再现了中γ尺度雨带的演变过程.在暴雨重灾区高潭镇1 h降雨量演变过程的模拟中,总体降雨趋势与实况吻合较好.定性分析结果同步得到定量指标的验证.

关键词：超历史极值暴雨中γ尺度雨带数值模拟双级质量控制技术

基于广东数值天气预报模式产品的扰动天气图系统

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热带气象学报 2024年第4期40卷 633-649页

作者：文秋实梁卓轩魏丹淇钱维宏中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510641 北京大学物理学院大气海洋科学系北京100871 广东海洋大学海洋与气象学院广东湛江524088

数值预报模式产品已成为当前各地气象台短期天气预报中的重要参考信息。我国各级气象台站都建立了多模式产品的一体化显示平台。但是,业务化平台上绘制的仍然是传统天气图。近十年来,为了更方便预报员客观地从中识别各种类极端天气,北... 详细信息

数值预报模式产品已成为当前各地气象台短期天气预报中的重要参考信息。我国各级气象台站都建立了多模式产品的一体化显示平台。但是,业务化平台上绘制的仍然是传统天气图。近十年来,为了更方便预报员客观地从中识别各种类极端天气,北京大学发展的基于欧洲中心全球模式产品的扰动天气图制作方法已经应用于对国内外多种类极端天气的大量个例分析,得到了国内外同行的认可。在前期工作的基础上,新近发展了基于广东区域模式(CMA-GD)产品的扰动天气图绘制系统。但是,与欧洲全球模式相比广东区域模式具有完全独立的非静力平衡状态偏差特征,并且不同模式系统之间的系统偏差也不一致,因此提出了一套生成区域模式自有扰动天气分析数据的基本方案,以减小模式系统性误差和气候漂移造成的虚假天气扰动信息,更有效地展现模式中的扰动天气系统特征细节。针对该系统网页端输出结果,实际应用台风个例介绍区域模式扰动天气图分析、使用方法。结果表明:相比于欧洲中心全球模式产品生成的扰动天气图,基于本地化模式数据生成的扰动天气图能够展示更多区域模式独有的物理量非静力特征时空特征。希望能帮助读者认识扰动法并熟悉扰动天气图在日常天气预报业务和天气过程复盘总结中的应用。

关键词：广东模式产品扰动天气图业务系统