基于天气预报的汾河二库防洪优化调度研究

以汾河二库及其下游防洪安全为水库的防洪调度目标,构建汾河二库防洪优化调度模型。结合天气预报洪水过程,采用加入惯性权重模型的粒子群-遗传算法进行分析。结果显示优化调度方案在削峰率和下泄流量平方和减小方面效果显著,但在降低调洪坝前最高水位方面效果较差;优化调度方案的最高坝前水位和最大下泄流量均优于原调度,对减缓二库防洪压力具有重要意义。

气候变暖对天气预报的影响及应对策略

天气预报与社会经济和人们的生活息息相关。随着全球气候变暖日益加剧,极端天气事件呈现广发、频发和强发的“新常态”,传统的天气预报将面临更大的挑战。文中首先阐述了气候变化与极端天气事件的关系,然后分析了全球气候变暖对常规天气预报和极端天气预报的影响,发现气候变暖将加大极端天气预报的难度,同时也更加强调“新常态”下提高极端天气预报准确率在防灾减灾方面的作用,并进一步分析气候变暖将使天气预报面临新的挑战。在此基础上,提出了适应气候变化的未来天气预报业务发展新动向以及应对措施和建议,如大力发展高分辨率和多圈层嵌套的数值预报模式、深入开展气候变暖背景下极端天气事件发生机理和可预报性研究、大力发展基于物理机制的动力-统计相结合的新模型、建立人工智能与数值预报技术融合的新方法以及提高预报员的科学素养和业务能力等。

基于网格型数值天气预报的风电集群日前功率预测方法

风电集群日前功率预测是省级及以上电网调控中心制定发电计划、促进风电消纳的重要基础之一。风电日前功率预测(次日0时至24时)本质上是构建数值天气预报与实际功率之间的映射模型。充分挖掘数值天气预报气象信息与功率之间的深层映射关系是提升风电功率预测精度的重要途径。利用网格型的数值天气预报并采用残差网络建立风电集群预测模型,挖掘风电集群所属空间三维网格型的气象分布与功率的关联关系。以实际运行数据进行仿真,结果显示所提方法在先进性和适应性两个方面均优于现有成熟方法。

数值天气预报课程思政建设与教学实践

课程思政是我国教育界立德树人的重要举措。该文从数值预报的重要发展历程、我国科学家的重大贡献、我国数值预报取得的突出成就三个方面,总结凝练大气科学专业核心课程数值天气预报各章节中蕴含的思政案例。在此基础上,从思政教学设计、思政案例在“微信+慕课”平台的推广、线上线下混合式思政教学三方面探索课程思政的教学方法。最后,给出思政教学建设与实践的若干思考和建议。

天气预报岗位职业压力与毕业生业务心理素质需求分析

在全社会对天气气候问题更加关切、相关技术高速发展的背景下,从预报预测业务实际出发,根据面临的工作任务与社会责任,针对实战经验欠缺,从大气科学专业毕业直接进入预报岗位工作的毕业生的实际情况,进行了预报员工作压力与职业心理素质需求分析。结果表明:1) 在多元探测资料和多种预报产品两个方面,天气预报岗位日常工作须进行8维度高维巨量信息分析处理,远超出普通认知能力,受非常有限的工作时间的限制,思考强度可迅速逼近峰值极限,并带来巨大的心理冲击。2) 在重大、关键、突发和敏感性天气过程中,预报员面临人民生命财产和国家利益的重大抉择,承受技术决策巨大的心理压力。3) 预报过程中不可避免的失误造成长期持续的挫败感,轮换值班与行政班的交替变化造成的生理节奏紊乱,其累积效应对预报员具有巨大不利影响。4) 从高强度工作与业务压力方面考虑,要求大气科学毕业生应具有坚定、果断、自信、豁达、坦荡、宽容、自我调整、积极向上的和勇于探索的心理特点,以更好地适应岗位心理需求。本研究面向日常业务工作心理压力巨大的天气预报岗位职业群体,致力于提高其心理承受与抗压能力,以充分发挥专业素养,为其在重大技术决策中更好地保障社会、群众与国家利益提供心理基础。

浅谈技术革新对大气科学发展的推动——以数值天气预报为例

随着电子计算机、卫星遥感观测、通信网络等技术的持续进步与革新,数值天气预报从百年前的理论构想得以照进现实并不断发展。作为数值天气预报两大革命性进展,资料同化和集合预报的发展既得益于数值天气预报相关交叉领域的技术进步,同时又在技术和理念等方面推动了数值天气预报的百年发展。回望过去,随着技术革新,以统计和经验为主的天气图方法无法满足现代天气预报发展时,数值天气预报应运而生;着眼当下,人工智能助力科学探索的新范式展现出巨大的技术优势,在短时临近预报、气候预测和气象大模型领域迅速涌现出积极进展;放眼未来,我们应积极拥抱技术变革,科学看待人工智能带来的利与弊,不断强化政策分析与前沿战略研究,加速和谋划大气科学的新发展趋势。

目标观测与极端天气预报

“目标观测”是用于提高极端天气事件预报水平的新的观测策略。在世界气象组织于2003年提出的全球大气十年研究发展计划——观测系统研究与可预报性试验(THORPEX)的推动下,国际上众多国家和地区已开展了大量针对极端天气事件预报的目标观测研究和外场试验,有效提高了预报水平。中国针对目标观测的研究和实践起步较晚,但在近十余年取得了突破性进展。该文介绍了目标观测的理念,阐释了实施目标观测需要解决的核心问题,概述了国际上已开展的目标观测外场试验,评述了中国关于热带气旋预报的目标观测研究的进步和外场实践的努力。

典型与非典型案例结合在天气预报实验教学中的应用研究

在天气预报实验教学中,为解决学生自主制作天气预报存在眼高手低或无从下手的现状,提出将典型与非典型案例结合的教学方法,从而顺应天气学学科特点和学生的认知规律。以单站地面风的预报为例,探讨相应的教学设计与实践,并从学生反馈收获了初步成效。该方法对天气预报实验教学具有普适性。教学中应重视对非典型天气案例的分析和应用,提高学生对预报参量的识别和判定能力,以此提升学生的岗位实践、自主创新以及团队协作能力。

基于数值天气预报因子扩充和改进集成学习的高寒地区短期光伏功率预测

高寒地区光伏系统因气象条件影响,其光伏功率表现出更显著的波动性。本文以黑龙江某光伏电站为例,提出基于数值天气预报(NWP)因子扩充和改进常规Stacking集成学习的高寒地区短期光伏功率预测方法。针对高寒地区光伏功率波动大的特点,引入NWP差分因子作为交叉特征,提升模型对天气变化的敏感性。随后,以极致梯度提升(XGBoost)和长短期记忆(LSTM)网络为基学习器,时间卷积网络(TCN)为元学习器,构建集成学习模型,并利用前向验证优化模型结构。最后,进行对比实验分析,结果表明本文所提方法具有更高的预测准确度和稳定性。

智慧冬奥2022天气预报示范计划的实施与评估

主要介绍了“智慧冬奥2022天气预报示范计划”(简称FDP)的运行与评估结果。此次FDP是在我国首次针对中纬度山区0~10 d冬季天气预报展开的示范计划,国内气象部门内外共22家单位、近40个数值模式或客观预报系统参与了该计划。FDP实现了实时运行所需的多种源数据和多源数据产品的高效传输分发、监控、实时处理、综合集成显示。首次开展了次百米级客观预报、人工智能释用订正预报等新型技术在冬奥复杂山地赛场的实时示范应用,为冬奥气象中心和3个赛区预报团队提供了丰富多样和稳定可靠的高精度客观产品,有力支撑了高标准的冬奥气象服务保障。针对参与FDP产品的系统性检验评估发现,与模式系统原始预报相比,释用后的专项站点预报对平均风、阵风、温度、相对湿度等要素的预报误差明显减小。但是对于冬季复杂山地的降水、能见度预报,客观预报技术还有待进一步改进,而且站点解释应用效果不明显。此次FDP对风、温度、降水、能见度、相对湿度的最优预报检验指标(最小误差值),总体体现了目前国内在中纬度山区冬季天气客观预报的大致水平和现实能力,对于认识复杂山地冬季天气预报存在困难、提升高精度天气预报水平等具有极为重要的价值。

天气预报准确性对农作物种植的影响

气象灾害一直是影响农作物种植与农业发展的主要因素。作为一个农业大国,加强气象预测的准确性,对于增强对各种气象灾害的预防能力、促进农业现代化生产和发展具有重要意义。对气象信息进行处理与分析,构建气象灾害评估与预警体系,提升天气预报准确性,进而减少其对农作物造成的不利影响,进而推动农业生产更好地发展。

大数据时代:数值天气预报的机遇与挑战

随着地球观测系统及数值模拟方法的不断发展,数值天气预报研究进入以数据驱动为核心的新范式,大气科学也迈入了大数据时代,大数据技术赋能数值天气预报发展成为大气科学研究的热点方向。从气象海洋大数据的内涵、分类及其特征出发,概括和梳理了气象海洋大数据在数值天气预报的应用,从技术方面,对资料同化、物理过程参数化、数值预报产品订正,以及机理与数据融合的模式开发等问题进行分析,并对相关应用进行了深入探讨和展望,从而为气象海洋大数据与数值天气预报的融合发展提供重要参考依据。

联合同化闪电资料和地面常规观测资料对强对流天气预报的影响

以2017年6月16日发生在广东省的一次中尺度对流过程为例,利用WRF模式对中尺度对流系统进行模拟,分析了联合同化闪电和地面常规观测资料较单独同化其中一种资料的改进作用。闪电资料通过WRF-FDDA系统以15 min作为一个闪电累积窗口被连续同化入模式中,地面常规观测资料通过WRFDA-3DVAR系统以1 h间隔循环同化入模式中。结果显示,相比于只同化地面常规观测资料,联合同化试验中闪电资料的引入提高了背景场中上升气流、冷池和阵风锋的准确度;相比于只同化闪电观测资料,地面常规观测资料的引入减小了更大范围的温度、水汽、风场的背景场误差,抑制了部分地区的虚假对流,即两种资料的联合同化整体上提高了对流系统的模拟准确度。预报技巧评分结果显示,联合同化对同化期和预报期的评分也有一定程度的提高。

重点实验室的运行成效分析——以中国气象局/广东省区域数值天气预报重点实验室为例

综合梳理了中国气象局/广东省区域数值天气预报重点实验室自2012年成立以来的发展历程,从推进科技创新、推动技术进步、支撑防灾减灾需求和促进人才成长等方面分析了该实验室的运行成效,并结合气象科技创新发展的新趋势和新要求,在人员经费保障、评价指标、模式发展等方面提出新时期推进重点实验室建设发展的对策建议。

多种机器学习方法在京津冀地区低能见度天气预报中的应用

利用2017—2021年的ERA5再分析资料和京津冀国家站地面资料,结合多种机器学习方法建立预报模型,开展轻雾、大雾客观预报。探讨了再分析资料、地形因素的影响,并结合多模型集成、统计消空进一步优化模型。结果表明:(1)XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)、LightGBM(Light Gradient Boosting Machine)、随机森林等集成学习方法的预报效果均优于决策树方法;(2)在引入ERA5再分析资料、地形建模后,XGBoost、LightGBM模型的预报性能显著提高。相比仅使用地面要素建模,大雾预报的TS(Threat Score)提升了30%、32%,达到0.52、0.49,命中率分别为0.62、0.87。此外,经过多模型集成后,轻雾、大雾预报的TS提升到了0.51、0.54;(3)2022年秋季一次大雾过程中,本方法提前72 h准确预报了京津冀地区的大雾,其中以LightGBM模型表现最好。0~72 h轻雾预报和0~36 h逐小时大雾预报的TS均达到0.3,预报准确率、时效性均优于ECMWF(European Center for Medium Weather Forecasting)模式。

基于WRF-NAQPMS的一次沙尘天气预报评估

为提高沙尘天气的预报准确率,利用ECWMF再分析资料和近地面PM_(10)小时质量浓度监测数据,评估WRFNAQPMS模式对2021年3月15—21日甘肃强沙尘过程的预报能力。结果表明,WRF-NAQPMS能够在一定程度上模拟此次污染过程:WRF对“3·15”天气系统的模拟与实况整体趋势较为一致,随着预报时效延长,气象模拟场移动偏快,导致沙尘预报场发展偏快、沙尘二次传输影响下游时间提前;近地面风向的局地偏差是导致甘肃中东部地区沙尘浓度出现预报误差的主要气象因素。NAQPMS模式对PM_(10)小时质量浓度的模拟随着预报时效增加和离沙源地距离的增大,预报误差逐步增大:在河西地区,沙尘影响时段和起沙浓度的模拟值均接近监测值,其中嘉峪关、酒泉、张掖的PM_(10)小时质量浓度模拟值与监测值相关系数r>0.8;中部地区城市的沙尘影响时段预报略有偏差,且模拟值低于监测值;受复杂下垫面和气象场预报误差影响,省内其他地区沙尘预报结果参考性较低。

山西省汾河水库防洪调度优化模型在天气预报洪水中的应用

针对气象预报的汾河水库入库洪水过程,对汾河水库开展防洪调度优化设计,有利于延长汾河水库防洪预案实施时间,有效减轻防洪压力。采用汾河水库防洪调度优化模型,将蓝色、黄色、橙色、红色预警级暴雨导致的汾河水库入库洪水过程进行了防洪调度优化,与原调度结果相比较,调度优化方案分别将区域蓝色、黄色、橙色和红色预警级暴雨导致的汾河水库入库洪水的下泄流量峰值分别削减了170.0 m~3/s、50.0 m~3/s、50.0 m~3/s和155.8 m~3/s,当遭遇红色预警暴雨导致的入库洪水时,汾河水库大坝安全风险由原调度方案的一级风险降低至二级。汾河水库防洪调度优化方案可有效减缓天气预报洪水情形下水库及下游的防洪压力。

基于网格化数值天气预报的区域光伏发电多输出功率预测方法

区域光伏的短期功率预测是省级及以上电网调控中心制定发电计划、提高光伏消纳率的重要基础之一。光伏短期功率预测本质上是构建数值天气预报与实际功率之间的映射模型,为了实现预测精度的提升,利用网格化的数值天气预报,采用残差网络建立区域光伏的多输出预测模型,充分挖掘区域光伏所属空间的气象资源分布与各光伏电站功率的关联关系,实现以网格化数值天气预报为输入的区域各光伏电站的功率预测。以实际运行数据进行仿真,结果表明,本文方法在各光伏电站的功率和总功率2个方面的预测结果均优于现有成熟方法。

重大活动文艺演出天气预报服务复盘分析及策略探讨

为庆祝中国共产党成立100周年,“伟大征程”文艺演出于2021年6月28日晚在国家体育场举行。针对6月28日和29日的强对流天气风险及可预报性进行复盘分析,并对气象服务保障策略进行回顾和探讨。本次活动的准确天气预报,为相关重要决策提供了关键依据。逐小时滚动提供气象服务专报以及精准、细致、周到的现场气象服务助力演出活动取得了圆满成功。

统计天气预报课程教学内容及方法改革创新探讨——以广东海洋大学为例

《统计天气预报》是大气科学和应用气象学专业本科生学习的一门核心课程。课程的教学内容和方法需要不断创新改革,才能不断提高教学质量以及学生知识学习的效果。文章基于广东海洋大学统计天气预报课程的问卷调查结果,发现课程教学存在“课堂互动方式单一、课后作业题型设置不当、教学示例覆盖面不足、数理基础薄弱学生的学习困难”等问题,并提出了“丰富互动形式、调整题型比例、注重学科交叉、强化数理学习”等有效改革途径。