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EOFQC在地面观测资料变分同化中的个例研究与应用

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EOFQC在地面观测资料变分同化中的个例研究与应用

第33届中国气象学会年会

作者：赵虹秦正坤王金成刘寅南京市六合区气象局南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室中国气象局数值预报中心江苏省气象探测中心

同化地面观测资料能够获得丰富的地面大气信息,这对于大气边界层的准确模拟尤为重要。由于地面观测资料同化一直受到地面观测资料质量较差的影响,因此,地面观测资料的质量控制是提高地面资料同化效果的重要方法之一。为了分析基于经验... 详细信息

同化地面观测资料能够获得丰富的地面大气信息,这对于大气边界层的准确模拟尤为重要。由于地面观测资料同化一直受到地面观测资料质量较差的影响,因此,地面观测资料的质量控制是提高地面资料同化效果的重要方法之一。为了分析基于经验正交分解质量控制方法（Empirical Orthogonal Function quality control,EOF-QC）对地面资料同化效果的影响,并进一步检验该方法在实际同化试验的应用效果,在WRF的三维变分同化系统中引入了EOF-QC。EOF-QC的优势在于由于前几个EOF主要模态基本代表了变量的空间连续性的温度变化特征,而观测误差是随机的,不会有空间连续性,所以观测误差不会出现在重构场中。从原始资料中减去重构场,剩余部分我们称为剩余场,EOF的剩余场则包含了各种误差和观测噪音。对剩余场的O-B进行双权重质量控制可以有效地识别观测中的可疑数据。本文利用WRF-3DVAR通过一系列同化试验比较了EOF-QC与原系统自带的基于观测与模拟偏差的质量控制方法（Observation Minus Background quality control,OMB-QC）之间的差异。资料的质量控制结果表明,资料经EOF质量控制后,观测场仍然保留了能反映天气变化特征的数据,而资料经OMB质量控制后,观测场的槽强度减弱,并且EOF QC较OMB QC能更好地连续保留天气系统附近的有效观测资料以及观测中比较重要的天气波动特征,可以更为客观准确地反映大气真实状态。从数值同化的试验结果来看,对于温度场的误差和偏差,EOF-QC试验的误差都明显小于其他3组试验,而且表现出很好的持续性。同时值得注意的是No-QC试验在预报后期的偏差和误差最大,这可能是由于未经质量控制的地面观测资料中含有与模式不匹配的信息,未被模式充分"吸收"导致该试验随着时间积分对温度的预报效果变差,间接证明了质量控制对地面资料同化的重要性。通过分析同化试验的分析场可知,同化经过EOF-QC后的观测资料,模式的预报温度降低,在北部形成一气旋性环流,该环流底部的偏西气流带动北部冷空气东移入海,同时冷空气南下也削弱了带有丰富水汽的西南气流,从而使模式预报的降水范围和强度更加合理。从同化后的数值模拟结果来看,对于降水,无论是控制试验还是同化试验,基本上都能够模拟出雨带的位置和走向。但是控制试验的降水在云南南部降水量级减小,在整个华南地区降水中心范围偏大、量级偏多,降水量超过25 mm,部分区域的降水量甚至大于50 mm。No-QC同样存在降水量级偏大的不足,而且,雨区有明显向西南偏移的现象。OMB-QC的降水量级和观测相似,但是主要雨区仍然存在偏西南的不足。EOF-QC对两个降水中心位置预报最为准确,消除了其他同化试验中降水向西南偏移的不足,最大降水的量级为约25 mm,与观测也最为接近。在模式参数设置相同的前提下,同化资料质量的好坏会对模式各个量级的降水预报带来不同程度的影响。从评分角度来说,EOF-QC的降水ETS评分在这3个量级的降水中几乎都表现最优,随着降水量级增大,预报技巧略微下降。并且,EOF-QC对高量级的降水改进最为明显,尤其是对于28日12—18时和28日18时—29日00时10 mm的降水,预报技巧较控制试验分别提高了36%和104%。在这4组试验中,CTRL试验对各个量级的降水评分都大于No-QC和OMB-QC,这说明虽然对资料进行了同化,但同化资料的质量对提高降水预报能力起着至关重要的作用。OMB-QC的降水评分在多数时刻也大于No-QC,这说明好的资料会对降水预报带来正效果。

关键词： EOF-QC 资料同化 WRF-3DVAR 降水误差评分

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利用卷积神经网络提高天气短期气温预报效果

气象科学 2024年第4期44卷 793-800页

作者：王莹杨晓君王迪张庆张楠天津市气象台天津300074 天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

为提高天津地区温度精细化预报的准确性,本文基于欧洲中期天气预报中心综合预报系统ECMWF-IFS、中国气象局全球同化预报系统CMA-GFS模式数据及天津259个区域自动站的逐小时气温实况数据,构建了一种基于U-Net编解码器结构的3D卷积神经网... 详细信息

为提高天津地区温度精细化预报的准确性,本文基于欧洲中期天气预报中心综合预报系统ECMWF-IFS、中国气象局全球同化预报系统CMA-GFS模式数据及天津259个区域自动站的逐小时气温实况数据,构建了一种基于U-Net编解码器结构的3D卷积神经网络气温预报模型,能实现天津地区24 h内逐小时气温的网格预报。采用二分搜索的方式对模型众多超参数进行调节,通过148组试验训练得到最优模型,测试集误差为1.226℃。采用多种指标对模型进行检验,结果表明,模型的预报误差整体低于原数值模式,特别是对天津市中南部(含中心城区)和东部沿海有较好的订正效果;其温度日变化预报特征更接近实况,能有效改善原数值模式的日变化预报误差,且模型表现出更强的误差稳定性。

关键词：精细化温度预报卷积神经网络日变化预报特征订正效果

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

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气象 2014年第2期40卷 166-173页

作者：古红萍沈学顺金继明赵林肖薇王咏薇中国气象科学研究院北京100081 中国科学院大学北京100049 中国气象局数值预报中心北京100081 美国犹他州立大学犹他84321 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所寒旱区陆面过程和气候变化重点实验室兰州730000 南京信息工程大学大气环境中心南京210044

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没... 详细信息

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。

关键词：湖气耦合模式太湖湖表温度参数优化

不同磷条件下高温胁迫对铜绿微囊藻增殖的影响及其恢复

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环境工程学报 2015年第10期9卷 4780-4788页

作者：李婷景元书韩玮气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 南京信息工程大学应用气象学院南京210044 河北省气象灾害防御中心石家庄050021 江苏省农业气象重点实验室南京210044

为研究磷浓度与高温对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)细胞增殖及其恢复生长的影响,对低磷(0.05 mg/L)、中磷(0.50 mg/L)和高磷(5.00 mg/L)3种不同磷浓度下,35℃高温胁迫3、6和12 d后的生长过程进行了研究。以25℃为对照,测定了细... 详细信息

为研究磷浓度与高温对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)细胞增殖及其恢复生长的影响,对低磷(0.05 mg/L)、中磷(0.50 mg/L)和高磷(5.00 mg/L)3种不同磷浓度下,35℃高温胁迫3、6和12 d后的生长过程进行了研究。以25℃为对照,测定了细胞密度、叶绿素a、胞内可溶性蛋白和糖含量、酶活性等指标。结果表明,低磷和中磷条件下,35℃高温未成为限制条件,反而促进细胞增殖。随磷浓度的增加,35℃高温的抑制作用增强,高磷条件下,温度成为限制因子,抑制藻的生长,第12天细胞密度仅为对照的85.51%。解除胁迫后,低、中磷条件下前期胁迫时间越长,藻细胞密度和叶绿素a含量越高,高磷条件下的细胞密度发生低补偿,胁迫3、6和12 d组比对照降低了3.44%、2.85%和10.32%。高磷组的各指标数值较高,组间差距相对较小,磷营养充足有利于微囊藻的补偿生长。不同磷营养下微囊藻会发生程度不同的补偿效应,可根据其自身变化为蓝藻生长的研究提供基本资料。

关键词：磷高温胁迫铜绿微囊藻补偿生长

2010年西北太平洋台风预报精度评定及分析

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气象 2011年第10期37卷 1320-1328页

作者：汤杰陈国民余晖中国气象局上海台风研究所中国气象局台风预报技术开放实验室上海200030

按照《台风业务和服务规定》的相关要求,本文对2010年中央气象台编号的14个台风(即1001～1014号西北太平洋热带气旋,以下统称为台风)的业务定位和业务预报精度进行了评定。评定结果表明:国内各家综合预报24h,48h和72h平均距离误差分别为... 详细信息

按照《台风业务和服务规定》的相关要求,本文对2010年中央气象台编号的14个台风(即1001～1014号西北太平洋热带气旋,以下统称为台风)的业务定位和业务预报精度进行了评定。评定结果表明:国内各家综合预报24h,48h和72h平均距离误差分别为110.0 km(1392次)、210.6 km(945次)和322.4 km(364次),比2009年相应预报时效有一定减小。国内外各家数值模式同样本比较显示:欧洲中心数值模式(ECMWF)在不同时效路径预报中均表现最好,日本数值模式(JAPN)表现其次。相对于国内各家数值模式,上述两家国外模式的路径预报表现出一定优势。进一步分析发现我国各数值模式与ECMWF模式更大的路径预报水平差距是由于台风移动方向预报差距,而台风移动速度预报相对较好;而日本数值与ECMWF模式的差距更主要的体现在移动速度方面。我国各家模式与ECMWF数值模式初始时效(12 h和24 h)的预报差距比后续预报时效(36 h和48 h)大。随着预报时效延长,国内数值模式与ECMWF模式的预报差距逐步减小。

关键词：台风预报精度误差分析

新一代中尺度天气预报模式——WRF模式简介

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新一代中尺度天气预报模式——WRF模式简介

基于观测路径的集合预报样本优选对热带气旋的模拟研究

中国气象学会2003年年会

作者：邓莲堂国家气象中心数值室

WRF（Weather Research Forecast）模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式系统开发的目标是建立一个具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性用户...

WRF（Weather Research Forecast）模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式系统开发的目标是建立一个具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性用户界面友好的模式。本文将从模式基本方程组、时间分裂积分方案、物理过程以及软件结构方面对WRF模式作一简单介绍。WRF（Weather Research Forecast）模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式系统开发的目标是建立一个具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便的等诸多特性用户界面友好的模式。本文将从模式基本方程组、时间分裂积分方案、物理过程以及软件结构方面对WRF模式作一简单介绍。

关键词：

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基于观测路径的集合预报样本优选对热带气旋的模拟研究

考虑前期预报误差以改善数值预报效果的一种方法

第35届中国气象学会年会

作者：李霁杭万齐林高郁东区域数值天气预报重点实验室中国气象局广州热带海洋气象研究所

集合预报是从一定误差范围内的一组初值出发,这组初值（样本）代表了大气状态的概率分布,集合预报中集合样本的好坏严重影响分析质量。质量较差样本进入集合预报中难免会降低集合预报的整体质量。由于集合样本是模拟大气可能状态的概率... 详细信息

集合预报是从一定误差范围内的一组初值出发,这组初值（样本）代表了大气状态的概率分布,集合预报中集合样本的好坏严重影响分析质量。质量较差样本进入集合预报中难免会降低集合预报的整体质量。由于集合样本是模拟大气可能状态的概率分布,因此样本的优选是提高分析质量的关键。本文通过对集合样本优胜劣汰来分析样本优选对模拟效果的影响。由于台风预报中台风路径的模拟至关重要,因此本文中的样本优选的方案为将样本模拟的路径信息与观测的台风报文路径相比较后,保留误差较低的样本,剔除误差较高的样本,从而提升样本的整体质量。但过多的样本被替换将导致集合离散度的大幅下降,因此替换样本的数量要适度。研究结果表明样本优选极可能有利于热带气旋路径和强度模拟的改进,其中对妮妲路径误差的改进约为4%到13%,对鲇鱼路径误差的改进从11%约至28%,对妮妲的强度误差改进大约在5%到37%之内,鲇鱼的强度误差改进约为1%到27%。

关键词：热带气旋集合预报样本优选观测路径

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气象科技资料 1974年第S2期 19-23页

以积分流体力学方程组为基础的气压场预报,在理论和实践上都取得了很多成绩。在许多数值试验和许多论文中均指出,用一系列复杂的模式,能够改善数值预报的效果。但目前用任何一个模式得到的结果大同小异,而且误差较大。这就很自然地提出... 详细信息

以积分流体力学方程组为基础的气压场预报,在理论和实践上都取得了很多成绩。在许多数值试验和许多论文中均指出,用一系列复杂的模式,能够改善数值预报的效果。但目前用任何一个模式得到的结果大同小异,而且误差较大。这就很自然地提出如下的问题:不等待模式的最终完善,而在目

关键词：数值预报 ST 预报误差误差场网格点 EN 大气模式初始值系统误差

一个适用于五层北半球原始方程模式的初值化方案试验

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南京气象学院学报 1985年第1期8卷 1-16页

作者：邹晓蕾南京气象学院气象系 84届硕士研究生北京气象中心数值室

本文给出了一个适用于五层北半球原始方程模式(简称B模式)的初值化方案。首先求出北半球混合坐标系中的线性化原始方程组的垂直模,然后将客观分析风场、位势场关于这些模展开,并对由此得到的线性浅水波方程进行具有阻尼高频快波、短波... 详细信息

本文给出了一个适用于五层北半球原始方程模式(简称B模式)的初值化方案。首先求出北半球混合坐标系中的线性化原始方程组的垂直模,然后将客观分析风场、位势场关于这些模展开,并对由此得到的线性浅水波方程进行具有阻尼高频快波、短波能力的变分迭代。数值试验的结果表明,本初值化方案改善了初值处理中常见的动能损失现象。个例分析还表明,24小时各层的形势场预报比B模式有所改进,基本上克服了B模式对闭合高低压、槽脊强度预报偏弱的缺陷,24小时降水量预报加大了,更接近实况。

关键词：初值化原始方程模式初始场大气模式形势预报图变分迭代北半球