RMAPS模式预报总辐射的3种订正方法应用

为降低光伏功率预测中预报总辐射误差且探讨各类订正方法的适用性,分季节对比分析逐步回归、支持向量机(SVM)和相似误差订正(AnBC)方法对快速更新多尺度分析和预报系统短期预报总辐射的订正效果.结果表明,订正后明显降低了预报误差,一定程度上改善了预报总辐射分布较分散和偏大的情况.酒泉鸿坤光伏电站秋季逐步回归订正效果相对最佳(平均绝对偏差(M_(AE))降低4.56 W/m^(2)),冬季、夏季和春季均是AnBC效果相对最佳(M_(AE)依次降低10.33、12.71、44.27 W/m^(2));敦煌电建汇能光伏电站秋季和冬季均是SVM订正效果相对最佳(M_(AE)分别降低4.73和7.85 W/m^(2)),夏季和春季均是AnBC效果相对最佳(M_(AE)分别降低16.24和34.17 W/m^(2)).两座电站逐小时误差分布显示AnBC效果相对最佳;就各季节相对最佳订正方法而言,订正后春季提高时次百分比最高(酒泉鸿坤为73.88%,电建汇能为77.28%).晴天SVM订正效果最明显,非晴天AnBC效果最明显.

江苏寒潮天气过程风险预评估方法研究

利用江苏省1961—2020年70个国家级及1300多个区域自动气象站同时段的日最低气温重构数据,选取最低气温48 h最大降温幅度、累计降温幅度、过程日极端最低气温和寒潮过程持续天数共4个要素作为寒潮灾害气象致灾因子,综合信息熵权法和专家打分法确定各致灾因子权重,构建寒潮过程致灾危险性评估模型,形成致灾危险性指数长时间序列,采用百分位法确定危险等级。基于智能网格气温预报数据,计算寒潮过程预估致灾危险性指数,在此基础上结合承灾体暴露度及脆弱性信息,构建寒潮过程风险预评估模型,对高分辨率人口、国内生产总值(Gross Domestic Product,GDP)和小麦等承灾体进行风险预估,同时考虑前期气温对小麦生长的影响,修正了小麦脆弱性指标。结果表明:(1)江苏省历年寒潮过程发生频次总体呈现20世纪后40年多、21世纪前20年少的态势,北部地区发生频次显著多于南部地区;寒潮过程的气象致灾因子强度大体上具有西部强于东部、北部强于南部的分布特征;(2)通过对2022年11月28日—12月3日江苏全省性寒潮天气过程的个例分析,可以得出与实际灾情基本相符的寒潮天气过程的致灾危险性预评估和风险预估结果。

基于LightGBM机器学习算法的江西气温短期预报模型研究

为进一步提高站点气温的预报精度,增强对极端气温的预报能力,本研究利用2017-2019年江西省91个国家站地面观测数据和ECMWF模式高空和地面预报数据,基于LightGBM机器学习算法和MOS预报框架,建立了江西省24 h国家站日最高(低)气温预报模型。2020年评估结果表明:LightGBM模型日最高(低)气温预报和观测变化趋势一致,年平均预报效果优于ECMWF、CMA-SH9、CMA-GFS三家数值模式、RF和SVM两种机器学习产品以及主观订正产品。从预报误差的时空分布来看,模型冬、春季日最高(低)气温预报误差略大于夏、秋季;日最高气温预报误差呈现“南大北小、周边大于中心”的空间分布特征,日最低气温则与之大致相反。从重要天气过程来看,在高温过程中,LightGBM模型在七种产品中预报效果最优;在强冷空气过程中,LightGBM模型预报效果仍优于三家数值模式产品和另外两种机器学习模型,但日最低气温预报效果不如主观订正产品。针对强冷空气过程中低温预报误差进行简单经验订正后,模型低温预报效果与主观订正产品接近。模型重要性分析显示临近地面观测特征对模型建立也有较大贡献,该结果可以为模式改进和气温预报产品研发提供参考。目前,LightGBM模型气温预报产品已应用于江西省气象业务。

基于Attention-Unet网络的FY-4A卫星降水估计

准确的卫星降水估计是开展天气、气候、水文、生态等研究的重要基础,并且可以降低由降水直接导致的洪水等自然灾害造成的损失。目前业务运行的卫星降水产品主要使用物理反演方法,存在反演过程中降水特征信息较为片面等缺点。近年来随着深度学习技术不断发展,其挖掘隐藏特征信息的能力也逐渐被引入到各种非线性过程研究。以Attention-Unet为核心搭建具备处理卫星多通道数据能力的卫星降水估计网络框架,利用风云4A卫星(FY-4A)多通道扫描辐射计9—14通道数据构建数据集进行降水估计模型训练。为评估该模型的效果,将Attention-Unet模型的降水估计结果与业务运行的卫星降水产品以及其他成熟深度学习网络模型进行对比。结果表明,Attention-Unet模型的降水估计效果优于使用传统物理反演方法的卫星降水产品FY4A-QPE和CMORPH,也优于作为对比的Unet模型和PERSIANN-CNN模型。在FY-4A多通道数据基础上,在模型训练中加入与降水有较大相关的地形数据,结果表明模型在保持降水区域识别能力的基础上降水量估计误差更小。

基于改进DeepLabv3+网络的气象卫星影像雷暴识别

为实现像素级雷暴活动范围识别,开展气象静止卫星影像分割研究。以贵州省及周边区域风云静止卫星水汽、长波红外通道(6.25~13.5.5μm)辐射数据为特征,融合地面甚低频/低频(VLF/LF)闪电监测和星载闪电成像仪(LMI)数据构建标签数据。通过改进DeepLabv3+语义分割网络并增加训练策略,对静止卫星影像进行雷暴范围识别。结果表明,数据增强、主动学习的自适应采样、Combo Loss组合损失、Ranger21优化器等训练策略可降低小样本训练对网络性能的影响,解决数据不平衡问题;骨干网络提取特征采用MobilenetV2运行速度最快,ResNet_101分割性能最好;引入卷积注意力机制模块可提升模型分割精度和特征提取能力。改进后的DeepLabv3+模型在测试数据集上像素平均准确率为96.82%,平均交并比MIoU为76.93%,性能优于SegNet、UNet、FCN等其他模型。该研究通过挖掘卫星影像中的雷暴特征信息,提高了对雷暴活动的识别精度,可为下一步引入循环神经网络开展雷暴活动预测奠定基础。

基于神经网络逐级分类建模的北京地区能见度预报

在研究了北京市近10年来城市能见度变化特征及低能见度发生的主要影响因素的基础上,利用北京市气象站观测资料筛选出主要的预报因子,使用学习向量量化算法对样本进行分类,再利用列文夸特算法逐级建立预报模型,并进行预报试验.结果表明神经网络逐级分类模型具有良好的预报能力,其关键在于模型的识别分类能力,试验得到分类准确率达到87.0%,采用列文夸特优化算法的逐级分类模型较统计回归预报残差平方和下降了57.1%;低能见度、中等能见度、高能见度预报准确率分别为60.0%,68.2%,79.3%,均高于统计回归预报方法(12.5%,41.7%,52.4%).

人体舒适度预报方法研究

经过人群调查得出适合于江淮地区人体舒适度指数公式及预报指标。综合利用 T10 6数值预报产品和地面常规资料 ,采用 MOS预报的方法和天气气候统计方法预报出气温、风速、日照等与舒适度指数有关的气象要素。研制了合肥市人体舒适度预报系统 ,该系统具有明显的地方特色 ,和客观实用 。

甘肃黄土高原春旱的气候特征及预测方法

利用甘肃黄土高原55个气象站在1968\＿2000年间的春季降水、气温资料,计算了春季干湿指数,划分了春旱标准,用REOF方法进行了气候分区,分析了其时空分布特征和变化规律,计算了其与欧亚500hPa高度场、赤道北太平洋海温和高原加热场的相关关系,建立了甘肃黄土高原春旱的均生函数预测模型。结果表明,干旱有三个高发区,频率为36%～57%,约2～3年一遇,且有增加的趋势。春旱与当年高原500hPa高度场、赤道北太平洋海温及上年盛夏高原加热场呈正相关,与前期冬季高原加热场呈负相关,所建立的预报模型有一定的预报能力。

自动临近预报系统及其在北京奥运期间的应用

该文介绍了对流风暴自动临近预报系统(BJ-ANC)及其在2008年北京奥运会期间的应用。BJ-ANC是在技术引进基础上,通过本地化改进和拓展研发而形成的适合于在京津冀地区使用的对流风暴自动临近预报系统。BJ-ANC系统通过对风暴进行分析,利用临近预报算法和模糊逻辑集成技术,生成反映风暴发生、发展和消亡的分析及预报产品。系统考虑了京津冀地区边界层辐合线及地形与风暴生消发展之间的密切关系。通过对2008年实时预报结果的检验表明:系统对风暴单体在1 h内的外推预报与实际观测的风暴单体中心的距离偏差较小;系统的1 h定量降水预报和自动站的降水观测接近;系统对风暴回波的总体预报性能明显优于持续性外推方法。通过对2008年奥运期间对流风暴个例的实际应用分析表明:系统对风暴的临近预报具有指导意义,边界层辐合线对风暴的局地新生和快速演变具有明显的正面预报效果。另外,系统反演得到的对流层低层热动力三维特征提供了风暴生消、发展预报的重要判据。

天气关键区大气低频波延伸期预报方法

针对上海地区强降水过程预报,根据大气低频振荡特性和使用Micaps 700hPa位势高度场资料,提出了一种新的预报方法——"天气关键区大气低频波延伸期预报方法",确定了天气关键区的范围和分析了天气关键区的低频变化特征。该方法的重点内容是天气关键区的低频波特征、各关键区低频气流辐合及其与降水过程的联系。2010年该方法在上海春季业务预报中取得了比较好的预报结果,尤其是对重大事件的预报服务。

2002～2004年广东电力负荷的变化特征及预测

利用2002～2004年广东逐日电力负荷资料,采用小波分析、相关分析等方法研究了广东电力负荷的变化特征及与气象因子的关系,并采用最优子集回归方法建立了预测方程。结果表明,广东电力负荷具有非常明显的线性增长趋势,季节变化明显。存在明显的5～7天的准单周振荡,10～20天的准双周振荡及30～60天左右的季节内振荡。它们主要由大气低频振荡及节假日的影响所致。广东电力负荷在周日具有较明显的下降,春节期间呈明显的漏斗状分布,“五一”、“国庆”长假期间最低值主要出现在1～2日,3日以后逐渐恢复到正常状态。与我国其它地区一样,广东电力负荷对温度的变化最敏感,温度是其主要的影响因子,在不同的季节与不同的气象因子还有一定的关系。用最优子集回归方法建立的回归方程并考虑工作日、节假日期间的影响,对夏季峰值、春节谷值、“五一”、“国庆”期间的变化均有较好的拟合与预测。

集合预报产品在台风麦莎预报中的应用

为了提高集合预报效果,利用T106L19全球谱模式和增长模繁殖法对台风麦莎制作了13个成员的集合预报,并对其结果进行集合预报产品解释应用研究。首先在离散距离分簇法中,引入方差分析的方法确定分簇基础,然后对集合预报的形势场进行了分簇,相对于以往采用96小时样本为分簇基础进行分簇的方法,分簇效果提高明显,分簇结果能给出台风移动的几种可能路径及其概率;其次对要素随时间的演变利用系统聚类法进行了分类,根据分簇平均图可以确定几个可能的台风登陆地点,制作了这些特殊点要素分类烟羽图,通过分析要素随时间的演变特征,提高对台风登陆地点和时间的预报精度;最后制作了盒须图,通过盒须图中数据组主体以外的数据点,确认出值得注意的一些特殊集合成员的预报结果,减少了小概率事件的漏报率。研究结果表明,将方差分析引入离散距离分簇法,要素烟羽聚类法以及盒须图的应用有利于提高和改善集合预报效果,集合预报产品解释应用效果得到改进。

地气图预测全国月降水的实践总结

根据地热涡的移动规律和地热释放的持续性，我们设计了两种月降水的预测方法：（1）外推法，依据过去2～3个月地热涡和多雨区的移向、移速，外推下个月多雨区的位置；（2）“正多负少”规则，利用地热释放的持续性，对3．2m地温月际变温为正的地区，预测下月多雨，月际变温为负的地区预测下月少雨（“正多负少”规则）。此规则的历史拟合率约为65％。指出了5种不符合“正多负少”规则的情形及其可能原因。利用上述2种方法，从2005年9月开始进行全国降水预测试验，按全国统一评分方法，2年多来平均得分为67．5分，2007年12个月的平均得到70．5分。

利用闪电定位和雷达资料进行雷电临近预报方法研究

利用LD-Ⅱ型闪电定位系统监测到的雷电资料和多普勒天气雷达探测到的风暴信息,研究雷电临近预报方法。叠加分析雷电集中区与风暴,雷电集中区一般对应有风暴,并且雷电集中区中心在风暴中心附近,二者移动方向基本一致,移速接近,因此通过匹配雷电集中区与风暴,采用雷电集中区将随其所匹配的风暴一起移动的思路,利用风暴追踪技术,对雷电集中区进行临近外推,从而实现雷电的临近落区预报。通过对2009年强雷电天气的临近预报结果进行网格点对点评分,雷电半小时预报命中率达到87%,成功率为63%。1小时预报命中率达到76%,成功率为51%。为雷电的临近预报提供了一套可业务运行的新方法。

T63模式月动力延伸预报高度场的改进实验

为克服T63模式月动力延伸预报中纬向平均环流的系统性误差较大的情形 ,文章利用NCEP/NCAR逐候再分析 5 0 0hPa高度场资料和非线性时空序列预测理论的局域近似法进行逐候纬向平均高度距平场预报。近 30组个例的预报效果分析表明 ,就 1～ 3旬总体而言 ,非线性时空序列预测方法对纬向平均高度距平场的预报优于持续性预报和模式动力延伸预报 ,体现了改善纬向平均高度场的能力。尤其是第 3旬的预报 ,当持续性预报偏差与实况偏差明显增大、动力预报技巧相对于第 1旬和第 2旬降低时 ,相空间重构结果仍然保持一定的优势。

多普勒雷达径向速度资料在对流天气预报中的应用

本文探讨了降水前多普勒天气雷达径向速度资料在对流性天气预报中的应用方法:图像定性分析法及EVAD技术定量分析法。并以2004年5日15时出现在石家庄的对流天气为例,详细介绍了利用这两种方法预报对流天气的步骤。通过对2004年10个对流性天气过程及其对应的径向速度资料的仔细分析,总结出几个定量的利用径向速度资料预报对流天气的指标,对流出现之前:(1)摩擦层开始出现辐合现象,辐合超前对流出现时间平均为8.2 h;(2)1.5°仰角径向速度图像上25 km范围内均出现了距离折叠现象;(3)25 km以内的低层50%出现了E或NE风,其他50%为S到SE风。另外,反查2004年5—6月径向速度资料发现:低层辐合和距离折叠均出现的日期,当天出现对流性降水的几率为77.3%。这些指标对预测预报石家庄地区对流性天气发生发展有一定指示作用,对其它地区也有一定的推广价值。

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据再校正与全月铁钛元素反演

月球表面的元素和物质成分分布是理解月球成岩与地质演化历史的重要线索。嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）是我国首台月球探测成像光谱仪器,其获得的大量月球高光谱数据已成为我国未来探测月球成分与地质演化研究的宝贵基础数据。本文利用探月工程地面应用系统发布的IIM B版本2C级数据,开发出一套数据再定标流程,获得了较为可靠的月表相对反射率数据。我们在新校正数据的基础上开展月球表面FeO、TiO_2的反演建模,获得了全月FeO和TiO_2分布图,这些图件是进行月球地质填图的基础。校正数据反演的FeO和TiO_2分布与前人对Clementine UVVIS数据的反演结果相近,表明干涉成像光谱仪数据具有较大的应用潜力。高地的低铁岩石成分（一般小于8%）佐证了月球月壳形成的过程中的岩浆洋分异假说,而月海玄武岩的TiO_2成分变化范围较大（0~13%）则表明月海玄武岩来源于不同的月幔源区。根据嫦娥一号干涉成像光谱仪全月FeO分布图,可将月球表面物质类型总体划分为高地斜长岩和月海玄武岩,而根据TiO_2分布可以进一步将月海玄武岩划分为5种不同钛含量的玄武岩岩石类型。FeO和TiO_2在全月范围内的分布表明Apollo和Luna返回的月球样品不能够代表全月范围内的矿物成分多样性,月球岩浆演化历史比前人认为的要复杂。未来月球样品返回任务（如嫦娥五号）如能赴这些特殊地区进行取样,将很有可能返回重要的月球科学研究发现和成果。

西北东部气候异常特征及其对冬季高原感热的响应

利用1960—2000年西北东部100个测站,经过面积权重区域平均的降水、气温资料,对该区域气候异常进行分析。结果表明:①对异常旱涝年,亚洲西风带环流及西太平洋副热带高压的位置最为关键。异常涝年,亚洲地区经向环流占优势,东亚大槽偏东,西太平洋副热带高压偏北;异常旱年,亚洲地区纬向环流占优势,东亚大槽偏西,西太平洋副热带高压偏南。②对异常冷暖年,极涡、西风带环流以及西太平洋副热带高压的状况最为关键。气温异常偏高年,北半球极涡强度及亚洲极涡强度均偏弱,欧亚地区盛行纬向环流,西太平洋副热带高压面积偏大,强度明显偏强,西伸脊点明显偏西,位置偏北;气温异常偏低年,北半球极涡强度及亚洲极涡强度均偏强,欧亚地区盛行经向环流,西太平洋副热带高压面积偏小,强度明显偏弱,西伸脊点明显偏东,位置偏南。③冬季高原感热与滞后一个季度的夏季降水、气温的相关较春季的相关更好。

多普勒天气雷达风场产品在螺旋度计算中的应用

本文介绍了一种利用新一代天气雷达风场产品VWP计算螺旋度的方法,通过对两次大面积降水个例的螺旋度诊断分析发现,利用VWP风场产品计算的螺旋度具有较高的时间分辨率,大面积降水的螺旋度变化趋势与降水变化趋势比较吻合,螺旋度变化一般提前于降水变化,有2—3 h的提前预报量;螺旋度数值的大小与降水量的大小一般没有明显线性关系;螺旋度可以作为观测雷达站上空风场随高度变化的一个敏感因子;利用VWP风场产品来作为计算螺旋度的风场资料是可行的,比起其它风场资料更适于短时(临近)预报的业务化工作。

基于近似支持向量机的能见度释用预报研究

利用2008—2010年逐年12月、次年1月的T_(511)L_(61)数值预报产品和单站观测资料,采用近似支持向量机方法,分别建立了南京、杭州和衢州站分类和回归结合的能见度释用预报模型(简称分类和回归结合模型)。利用2011年12月、次年1月资料作为独立样本,对模型进行试报检验,并与不分类条件下的纯回归模型进行对比。结果表明:分类和回归结合模型的预报效果好于纯回归模型,在24、36、48、60和72 h试报中,分类和回归结合模型的南京、杭州和衢州三站平均的准确率依次为75.5%、83.7%、72.1%、75.4%和78.0%,在除48 h的其余4个预报时次中,分类和回归结合模型的三站平均的准确率均高于纯回归模型。分类和回归结合模型在单站能见度预报中有较好的应用前景。