广西暴雨集中度智能气候预测方法研究

利用1961—2023年广西79个气象观测站逐日降水和国家气候中心大气环流、海温指数资料,构建广西暴雨集中度计算方法,基于逐步回归方法、粒子群-神经网络、随机森林算法,建立暴雨集中度气候预测模型。结果表明,广西存在以桂林和柳州两市北部为中心的桂东北地区、以“东兰、巴马、凤山”为中心的桂西山区和沿海地区三个暴雨集中度高值区,暴雨集中度异常大小基本反映发生洪涝和干旱灾害的严重程度。经过2020—2023年气候预测试验,粒子群-神经网络算法预测效果最好,其次为随机森林算法,第三是逐步回归方法。

“20·6”广西持续性暴雨过程异常气候特征分析

利用广西91个地面气象观测站逐日降水资料以及NECP/NCAR高度场的再分析资料,对“20·6”广西持续性暴雨过程异常特征进行分析。结果表明:(1)欧亚中高纬呈“两槽一脊”环流形势,东亚大槽加深,冷空气南下活跃,有利于广西东北部强降水发生和维持。(2)南海夏季风爆发偏早,南海夏季风活跃,打通来自印度洋和南海水汽通道。(3)副热带高压位置偏北、西脊点位置偏西,来自副热带高压南侧的东风气流与孟加拉湾西南暖湿气流汇合,有利于强降水发生和维持。(4)此次过程前期热带大气低频振荡对流抑制带有明显向东移动,并稳定维持在西太平洋,热带大气低频振荡对流带活跃于印度洋,为广西暴雨发生带来丰富的水汽。以上条件有利于广西持续性暴雨过程的发展和维持。

南海夏季风爆发对广西6月暴雨的影响

利用1961—2020年广西地面气象观测站逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析资料,研究了南海夏季风爆发对广西6月暴雨的影响。结果表明,当南海夏季风爆发偏早时,东亚大槽显著偏强,中高纬度地区经向环流增强;华南沿海西南风显著偏强,配合中高纬度偏强的经向型环流引导北风南下,南北风在广西上空交汇;印度洋到海洋性大陆热带季节内振荡(MJO)处于对流活跃位相,且向东移动明显,低频对流带在西南季风引导下向广西输送;广西上升气流显著偏强,暴雨日数偏多。反之,暴雨日数偏少。

近30年华南地区“龙舟水”暴雨研究进展

主要综述和回顾近30a来国内外关于华南“龙舟水”暴雨的天气气候研究进展,包括高空槽、切变线、低涡、急流、副热带高压等天气系统的影响,低频振荡、季风等大尺度环流背景,及其对高原积雪、海温等外强迫信号的响应。总结了“龙舟水”暴雨精细化预报中主要存在的问题,对提高“龙舟水”暴雨预报预测能力提出了展望。

基于三种机器学习算法广西冷湿天气预报对比研究

为了提高广西冷湿天气预报的准确率,论文利用支持向量回归、冲量项神经网络、遗传神经网络等三种机器学习算法建立广西冷湿天气指数预报模型,并在广西冷湿天气预报中进行应用试验。结果表明:支持向量回归模型预报效果最好,其次为遗传神经网络模型和冲量项神经网络模型,三种机器学习算法预报的平均相对误差比传统的逐步回归预报方法减小了3.4%。

1981—2020年广西森林火险气象等级特征及成因分析

基于GB/T36743—2018森林火险气象等级国家标准,分析了广西91个国家气象站1981—2020年森林火险气象等级特征,并利用林火实况进行了验证。广西高火险区位于桂西百色市、崇左市和沿海北海市,高火险期是10—12月。影响广西森林火险气象等级最主要的气象要素是降水量,其次为气温,风速和相对湿度影响较小。利用NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海温资料和相关系数分析方法和合成分析方法,从海温和对流层中低层位势高度、风场、垂直速度和海平面气压等的异常特征对广西高火险期高火险日数差异的分析表明:关键区海温不同的海气相互作用引起的降水量差异造成了广西高火险日数的异常。秋季赤道中东太平洋冷(暖)海温激发出菲律宾异常气旋环流(南海异常反气旋环流),东亚冬季风(西南暖湿气流)偏强,副高偏弱偏东(偏强偏西),广西处于下沉干燥(上升湿润)气流区,降水偏少(多),高火险期高火险日数偏多(少)。

2022年广西极端“龙舟水”暴雨过程环境场特征分析

利用实况、ERA5再分析资料对2022年广西极端“龙舟水”最强暴雨过程降雨与洪峰及环境场进行分析。结果表明:(1)近30a广西大洪水年“龙舟水”最强暴雨过程大多持续5~6d,强降雨范围、中心位置及强度与洪峰相关,洪峰出现在过程结束当日或后一日。(2)2022年过程大尺度环流背景中高纬天气形势为两槽一脊型,东槽偏弱,冷空气势力偏北,中低层大气异常深厚急流及高能、高湿,对流抑制有效位能小及抬升凝结高度低,是典型暖区暴雨。近30a过程大尺度环流背景中高纬为两槽一脊型或纬向型两类,是锋面、暖区或混合型暴雨。(3)把握“龙舟水”最强暴雨过程环境场及降雨特征是大洪水预报的关键着眼点之一。相近环境场条件下,强降雨差异是预报难点,需进一步研究。

2023年广西暴雨强度极端性分析

利用1961—2021年地面气象观测站逐日降水观测资料,建立广西极端暴雨事件强度评估标准,开展2023年广西暴雨强度极端性分析。结果表明:(1)2023年站点极端暴雨具有发生数量多、时间跨度长、空间分布广、时空分布不均、山区多于平原等特点。没有出现区域性极端暴雨日及单日全区性大范围灾害,出现一次区域性极端暴雨过程和全区性持续性灾害。(2)在站点极端暴雨频发背景下,出现了严重局地性暴雨灾害日及其过程。(3)造成主要灾害的天气系统为冷空气、热带扰动、台风及其残涡。热带天气系统多于西风带天气系统,南部灾害频次高于北部。(4)区域性极端暴雨灾害日及其过程分别与单日或持续时间长的大范围暴雨过程有关。

基于3种机器学习算法的台风频数预测

为了提高影响广西台风频数的年度预测准确率,利用中国气象局上海台风研究所提供的1951-2020年影响广西的台风样本数据、国家气候中心提供的88项大气环流特征量和26项海温指数资料,使用相关方法找出高影响因子。针对影响台风物理因素的复杂性,为了获取更综合的预测因子信息,使用随机森林对影响因子进行二次筛选,建立基于随机森林、支持向量回归和循环门单元(GRU)3种机器学习算法的影响广西台风频数气候预测模型。实验结果表明:使用随机森林二次筛选得到的因子的建模预测效果明显提高,机器学习算法预测效果整体高于岭回归方法,其中GRU预测效果最好,绝对误差较岭回归方法减少10.30%,其次为随机森林和支持向量回归,误差分别减少9.44%和7.47%。

广西暴雨非均匀性分布特征研究

利用广西1979—2008年83个气象观测站的逐日降水和NCEP/NCAR再分析资料,采用蒙特卡罗检验等方法,计算和分析广西暴雨非均匀性分布及其变化特征。结果表明,广西暴雨主要发生在汛期(4—9月),暴雨总站次约占全年总数的9成;年暴雨量占全年总降水量的比例随年际变化有增加的趋势,即以后发生极端强降水的可能性增大。广西暴雨集中度分布为桂东大于桂西,桂西北和沿海地区的暴雨集中度变化趋势大部分为正趋势,桂东南大部分为负趋势。桂东北和西南地区暴雨集中期最晚,百色北部山区和桂东南地区最早,暴雨集中期气候趋势是桂东大部分地区和沿海地区有偏晚趋势,桂中和桂西大部分地区有偏早趋势。冬春季青藏高原南部和西太平洋高度场负距平,夏秋季副热带高压偏强、面积偏大、脊线偏西,这种稳定的东高西低形势有利于广西暴雨集中度偏大。冬季青藏高原南部和西太平洋地区的高度场均为正距平,春夏秋季青藏高原南部及西太平洋高度场的周期性变化特征使广西暴雨集中度偏小。夏季风强(弱)的年份孟加拉湾向广西输送的水汽通量少(大),低空风速小(大),造成广西除了北部山区和北海以外大部分地区暴雨集中度偏小(大)。

一次冰雹过程的惯性重力波观测及数值模拟

使用高灵敏度的电容式微压波传感器对1998年4月11日16时发生在贵州省普定县的一次降冰雹过程的重力波进行观测,利用WRF(Weather Research and Forecast)中尺度模式对这一过程进行数值模拟,使用Morlet小波方法对模拟结果进行分析,得出这一过程中惯性重力波的分布和变化规律,并分析急流、地形及切变线对惯性重力波的影响.观测发现:在降冰雹前,每隔1～4小时出现一次短周期重力波阵性增强的现象.数值模拟结果显示:在低空降冰雹前几个小时有强的短周期重力波出现,其中周期较长的出现早、存在时间长,周期较短的出现晚、存在时间短;强的低空急流和风速垂直切变触发对流或湍流的发生和加强,对流或湍流又激发了80～200 min的短周期重力波;短周期重力波更容易向垂直方向传播,而长周期重力波倾向于水平方向传播.长周期重力波在降冰雹后周期有明显变短现象,随高度越加明显.由地形形成的重力波在最高山峰上空振幅最大.

广西雷暴分布特征及灾害成因分析

对1951—2005年广西88个气象站的雷暴资料进行统计，得出了年季平均雷暴日数的时间序列，利用Morlet小波分析方法对这些序列进行分析，发现它们存在着明显的周期振荡规律，都具有较强的2a和4a周期振荡信号，在整个时间域里还普遍存在12～14a的周期振荡，各信号频率分布所在的时间域及其强度又存在着差异，从周期变化中可预测，未来几年广西可能转为多雷期。从线性回归分析得出，广西雷暴长期变化总体呈减少趋势。雷暴地域分布特征为桂北少桂南多，桂东南及沿海地区为强雷区，其他地区为多雷区。主雷期的开始期和结束期都是桂东北早桂西南晚，持续时间桂东北长于桂西南。灾害成因除了雷暴强度外，主要为建筑物防雷设施不合格，电子设备防雷措施不完善，群众防雷意识淡薄造成的。针对雷电灾害成因，提出了预防雷电灾害的建议，供防雷减灾工作参考。

近50年广西大范围暴雨的大气环流异常分析

利用1961-2010年广西90个气象观测站的逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,运用Lorenz环流分解方法分析了近50年广西大范围暴雨的大气环流异常特征。结果表明,近年来广西发生大范围暴雨过程和平均暴雨日数均呈增多趋势。不同天气系统造成广西大范围暴雨的环流形势主要表现在副热带高压所处位置和强度的不同。从长时间统计来看,广西大范围暴雨与副热带高压的强度、北冰洋(130°E- 140°W,70°N-90°N)区域的纬偏成正相关关系,与格陵兰岛北部、赤道印度洋中西部和哈萨克斯坦东北部的纬偏值成反相关关系。北半球高纬度地区(75°N-85°N)和低纬度地区(20°N-30°N)定常波强度增强,中纬度地区(40°N-70°N)定常波强度减弱,低纬度10°N-30°N和中纬度35°N-55°N定常波不平稳度增强,可能是造成广西大范围暴雨日数增多的原因之一。在广西大范围暴雨过程中,北极附近区域为定常波最不平稳的地区。

影响惯性重力波活动规律的动力学因子研究

通过探测发现大气重力波有明显的活动规律：重力波强度在冬、春季强于夏、秋季,在5月和10月发生急剧减弱和加强的转变,无天气过程时晚上比白天强,尤其短周期的重力波,周期为40-80min的重力波平均强度最强,其他较弱。在斜压大气和考虑积云对流加热条件下,运用积云对流参数化、Taylor公式展开等方法,推导出惯性重力波的非线性KdV方程,求出其孤立波解,以此解释以上得出的大气重力波的活动规律：惯性重力波强度随风速垂直切变增大而增大,急流是最重要的惯性重力波波源,是重力波强度在冬、春季强于夏、秋季的主要原因,亚洲急流在5月和10月的北跃和南落,是重力波强度发生急剧变化的原因,急流下方是激发惯性重力波最强的地方。一般情况下,惯性重力波强度随着大气背景流场绝对涡度增大而增大,正涡度对惯性重力波起激发和增强的作用。当惯性重力波向下传播时,波的强度随层结稳定度（N^2）增大而增大,由于太阳辐射的作用白天大气层结稳定度比晚上小,这解释了在无天气过程时晚上重力波强度强于白天的原因。惯性重力波强度和波的频率成正比,这解释了周期为40-80 min比周期为140-160 min的重力波强的原因。重力波强度还与非线性积云对流参数常数b及科氏力参数f成正比。

2009年夏末秋初广西持续干旱成因分析

利用1951―2009年广西地面气象观测逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用一元回归和小波分析方法对历年广西夏末秋初降水气候趋势变化和周期性进行统计分析。结果表明:从历史资料看,广西夏末秋初降水呈显著减少趋势,而且具有2 a、8 a和14 a周期变化特征,2009年处于2 a周期信号偏少期。造成广西夏末秋初高温干旱的主要原因为:8月副热带高压脊线偏北,东亚槽脊平缓不利冷空气南下,广西常处于高压脊控制;9月副高南落,广西部分地区受副高控制;广西低空呈反气旋的环流形势,低层辐散高层辐合,气流以下沉运动为主,而且水平风速很小,大气稳定;2009年6月太平洋出现了厄尔尼诺现象,并在8、9月得到了发展。

广西气温气候变化特征研究

使用1951~2008年广西80个气象观测站的气温观测资料,利用蒙特卡罗方法分析广西气候变暖的特征。结果表明,广西年平均气温变暖趋势最显著,其次为秋季和夏季气温,最不显著的是春季气温;增温最大的是冬季和秋季。年平均气温50年平均增高0.6℃,趋势很显著。春季和夏季气温50年平均增高均为0.4℃,春季趋势不显著,而夏季趋势显著。秋季和冬季气温50年平均增高分别为0.8和1.0℃,2个季节大部分地区趋势均显著。高温日数变化除了全州、忻城等少数地区有减少趋势外,其余地区均有增多的趋势,但趋势不显著,高温日数50年平均增多了2.8 d。

大气低频振荡对广西持续性区域性暴雨的可能影响

使用1961～2013年广西80个气象观测站的日降水资料和NOAA OLR、NCEP/NCAR风场、高度场再分析资料。分析持续性区域性暴雨异常年份大气低频活动特征,得到结果：广西持续性区域性暴雨异常多（少）的年份,中高纬度地区高空大气温度30～60天周期振荡强度弱（强）,位置偏北（南）,广西及其以南低纬度地区OLR 30～60天周期振荡有明显（相对不明显或不连续）的向东传播。

粒子群—神经网络法在广西寒露风日数预报中的应用

利用1951—2013年广西90个气象观测站气温资料、国家气候中心74项指数、美国大气海洋局气候预测中心60项指数资料及1979—2013年美国大气海洋局海温和陆地雪盖资料、美国冰雪数据中心的两极海冰资料,通过相关分析获得广西寒露风日数的影响因子,采用逐步回归和粒子群—神经网络方法建立广西寒露风日数的预测模型,并进行预报检验。结果表明:广西寒露风日数与前1 a的4—10月北极海冰、前1 a的9月北半球极涡面积指数等因子相关显著,均通过5%水平的显著性检验。利用筛选的因子进行5 a独立样本预报检验,逐步回归方法绝对误差约为6 d,相对误差为1.1倍左右,其中F=4时逐步回归预测误差最小;粒子群—神经网络采用24个因子的预报误差最小,5 a平均的绝对误差为4.9 d,平均相对误差为76%,预报误差随着采用预报因子数减少而增大。粒子群—神经网络较逐步回归5 a预报平均精确度提高了28%,误差降低了1 d,预报效果有一定的改善。

广西暴雨的区域性和连续性研究

利用广西1961～2010年90个气象观测站的逐日降水资料,使用相关分析等方法研究广西暴雨的区域性和连续性,结果表明:前汛期存在三个大的暴雨高相关区:以桂林市、柳州北部形成一个暴雨区;一个以南宁市南部、崇左市北部地区、玉林部分地区为暴雨区;另外一个以梧州市西南部、玉林、北海、钦州三市为暴雨区。后汛期同样存在三个大的暴雨高相关区:以桂林、柳州二市、河池市南部形成一个暴雨区;一个以南宁、玉林二市南部、崇左市大部及沿海地区为暴雨区;另外一个以梧州、贵港、玉林及钦州、北海二市北部、南宁市中东部为暴雨区。总之,广西后汛期期暴雨相关显著区面积均比前汛期大。广西存在两个高的暴雨同时发生区域:一个由桂林市、柳州市北部组成的区域,该区域同一天发生暴雨的频率达到40%以上;另一个区域为桂南沿海地区,同一天发生暴雨的频率达到30%以上。

广西热带气旋的暴雨统计分析及数值模拟

利用1949～2010年广西88个气象观测站的降水资料和1961～2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析了影响广西热带气旋的数量、路径及其影响广西暴雨的特征,通过数值模拟研究了广西大范围暴雨物理量环境场的变化特征,结果表明:影响广西热带气旋个数有显著的减少趋势,并存在着明显的2a、4a和10a周期振荡信号,年日最多暴雨站数有增多的趋势。热带气旋影响下沿海地区发生暴雨的可能性最大,桂北山区最小。热带气旋从沿海地区登陆进入广西,造成广西各站发生暴雨概率最高,其次为从梧州、玉林进入广西的路径,最少的为热带气旋在北部湾西行进入越南。热带气旋的中低层环流中心一般为强降水区域,中心滞留时间越长降雨量越大,极大风速始终位于台风前进方向的右侧,大范围暴雨区域位于急流的左侧。在热带气旋影响日最多暴雨站数发生时中低层风速及高度场在近30年的变化特征:广西的东北面存在一个呈西北-东南向的风速增高带,西南面为风速减弱带;西北面为高度场减弱区,黄海一带为一个显著增强区。