基于CEEMDAN-SE-ARIMA组合模型的东北夏季降水预测

针对传统时间序列模型无法有效预测模态混叠数据的不足,本文提出了一种基于CEEMDAN-SE-ARIMA的组合模型,并且对东北地区2016—2020年夏季降水量进行了实证分析。首先,基于完全自适应集合经验模态分解方法,将降水时间序列分解为多个本征模态分量,并根据不同分量样本熵的计算结果进行分量序列重构。然后,针对每一个重构分量,构建自回归移动平均预测模型。最后,将各分量的预测值进行叠加,得到组合模型的预测值。此外,还构建了ARIMA单一模型和其他组合模型,旨在与CEEMDAN-SE-ARIMA组合模型对比。结果表明:CEEMDAN-SE-ARIMA组合模型考虑了时间序列的模态混叠特征,能有效提高东北地区夏季降水时序模型的预测能力,具有良好的预测应用价值。预测结果较单一模型和其他组合模型均有所提高,MASE降低了0.02~0.91 mm,RMSE降低了0.80~130.49 mm,MAE降低了2.52~129.84 mm,MAPE降低了1.08~35.53 mm。CEEMDAN-SE-ARIMA模型在降水变率较小的西北部区域预测效果更好,对东南部区域的极值分布中心预测较为准确。

基于温湿廓线反演的风云三号D星微波探测仪云区资料同化试验

为了探究云区卫星微波资料的同化应用,利用中国风云三号D星(Fengyun-3D,FY-3D)微波温度计二型(microwave temperature sounder-2,MWTS2)和微波湿度计二型(microwave humidity sounder-2,MWHS2)资料,基于人工神经网络算法研制了云区温湿廓线反演模型,建立了云区资料的间接同化方案。于2019年6月开展晴空和云区同化试验,评估加入云区MWTS2和MWHS2资料对区域模式预报的影响。试验结果表明:MWTS2和MWHS2资料的同化对温湿度预报场有改善,主要体现在模式中高层均方根误差和平均偏差的减小,云区同化的改善幅度比晴空同化更大;同化MWTS2和MWHS2资料对于提高降水预报技巧有积极影响,云区同化对降水预报的改善主要体现在同化后的12~24 h,较晴空同化更明显。针对强降水个例分析表明,MWTS2和MWHS2资料对温度场、湿度场、水汽通量散度场的调整有利于降水预报的改善,而云区同化能够直接对天气系统的初始场进行调整,降水的位置与强度预报效果更好。

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6K,均方根误差为0.89K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021g/kg,均方根误差为0.02g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。

一次强暴雨形成的动力机制

分析了1998年7月武汉强暴雨的天气演变特征,并从理论上探讨了强暴雨形成的动力机制。结果表明:低空急流先于暴雨生成,暴雨最强时低空急流也最强;高空急流入口区右侧及低空急流左侧非热成风梯度的存在,使得中尺度不稳定波的波振幅出现空间不稳定现象,高空急流右侧不稳定波的波振幅和低空急流左侧不稳定波的波振幅向暴雨区增加,暴雨区恰为这两支波叠加后振幅最大的区域,高低空急流耦合下的非热成风、中尺度对流—对称不稳定可能是这类强暴雨产生的动力原因之一。

一个用于气候模式的三维变分资料同化系统——方案设计及检验

介绍了一种适合格点模式的三维变分同化方案,并应用于中国科学院大气物理研究所的9层大气环流格点模式(IAP9L2°×2.5°-AGCM)中。同化方案考虑质量场和风场的动力约束关系,并通过变量变换将模式变量转化为互不相关的控制变量:流函数、非平衡速度势、非平衡位势和比湿;同时采用共轭梯度法求解代价函数避免了直接计算背景误差协方差矩阵逆的困难。通过理想试验、模式连续同化积分试验以及对东亚地区特殊寒潮天气的同化试验,结果表明:该系统能够正确反应多变量之间的相互关系,并且长时间运行稳定,更重要的是同化不仅可以明显改善直接参与同化的物理量,而且经过模式的动力调整也改善了未参与同化的物理量(如海平面气压、近地面气温、降水等),这为大气的持续性信息存储于陆面物理量提供了可能,从而可为IAP9L2°×2.5°-AGCM提供陆—气相协调的初始场。

资料同化方法的理论发展及应用综述

简单介绍了资料同化的概念、功能及分类,回顾了资料同化的发展历程,对各个时期发展的各种方法的理论进行了概述,并指出了每种方法的优缺点及应用进展。目前,三维变分在业务上得到了广泛的应用和推广,随着研究的深入和计算机水平的不断提高,四维变分和集合Kalman滤波在将来业务预报中有广泛的应用前景。

大气初始场对短期气候数值预测的影响

利用中国科学院大气物理研究所发展的九层大气环流模式(简称IAP 9L2°×2.5°-AGCM)分析了大气初始场对短期气候数值预测的影响,分别从实际观测海温、海冰的外强迫和气候态海温、海冰的外强迫出发,进行两组集合回报试验,每组包含3个试验,分别将实时NCEP-Ⅱ资料和对NCEP-Ⅱ资料经5 d平滑、11 d平滑后的资料作为大气初始场,进行17 a(1988—2004年)集合回报试验,采用相关分析方法对试验结果进行对比分析。结果表明,比较相关系数定量检验出大气初始场对热带地区可预报性影响较小,而对中、高纬度地区影响很大。通过对6个试验中对应气象要素在对流层各层距平时间相关系数以及17 a空间异常相关系数均值比较分析发现对东亚(中国)地区夏季气候而言,NCEP-Ⅱ资料经5 d平滑后生成的大气初始场对应回报试验结果相对最好。

课程思政融入线性代数教学的初探——以南京信息工程大学的线性代数教学为例

本文首先分析了课程思政融入线性代数教学的必要性;其次针对线性代数课程的特点,从定义讲解、证明推导两方面挖掘蕴含思政元素的知识点;再次,探讨了含思政元素内容的教学设计;最后进行了初步实践.以期通过探究思政元素融入线性代数课程的教学,加深学生对线性代数知识的理解,帮助他们树立正确的世界观、人生观和价值观,真正实现“立德树人”的目的.

初始场的同化对短期气候预测的影响

基于已建立的三维变分资料同化系统(3D-VAR),利用大气环流模式(IAP9L2°×2.5°-AGCM),对同化和未同化2种初始场分别进行了17a(1988—2004年)的集合回报试验,并对试验结果进行了相关分析.结果表明:在热带地区,2组初始场下的集合回报结果差别很小,除热带外的中高纬地区差别较大,尤其是东亚地区;另外,大部分物理量场的17a异常空间相关系数的均值在同化后的初始场下也得到了提高,可能是因为同化的初始场包含了一段时间的大气信息,动力模式更加协调.

基于CNN-Attention-BP的降水发生预测研究

在综合分析降水统计预测模型特点的基础上,提出一种基于Attention机制、卷积神经网络(CNN)和BP神经网络的CNN-Attention-BP组合模型,并对1961—2020年不同气候类型的长春站、白城站、延吉站夏季降水进行实证分析.首先,运用卷积神经网络对6—8月20—次日20时降水量、平均气压、平均风速、平均气温和平均相对湿度进行特征学习,利用Attention机制来确定气象影响因素对降水预测的权重;然后,使用BP神经网络进行降水发生预测,选用准确率、交叉熵损失函数和F1-score来综合评价CNN-Attention-BP组合模型的性能.最后,将单一的支持向量机、多层感知机和卷积神经网络模型与组合模型进行比较分析.结果表明,CNN-Attention-BP组合模型具有自主学习和关注更重要信息的特征,能够有效提高吉林省夏季降水发生模型的预测能力,在样本越均衡、降水频率越接近于0.5的站点,预测精度越高,准确率最高可达88.4%.CNN-Attention-BP组合模型的准确率相较于其他单一模型最高可以提高近17个百分点.

一次江淮强暴雨过程的湿有效能量及其收支特征

利用高分辨率的WRF模式模拟结果,采用基于格点的湿有效能量计算方案,对一次江淮梅雨期强暴雨发生发展过程中湿有效能量的时空演变特征进行分析,并从定性和定量的角度探讨了能量方程转换项、平流项和垂直输送项对强暴雨过程中湿有效能量的输送和积聚作用。结果表明,强暴雨过程中湿有效能量的时空特征与强暴雨发生发展具有良好的对应关系,对流层低层800 hPa湿有效能量40×10^4J·hPa^-1·m^-2的等值线范围和该等值线伸展至500 hPa附近可作为判断强暴雨发生的必要条件。暴雨发生前2-3 h的能量快速积聚及其对暴雨区移向的引导,对强暴雨预报具有良好的指示作用。湿有效能量的水平和垂直输送及转换确保了能量的积聚和对流层中层能量的增加,为强暴雨的发生和维持提供了充足的能量。

模糊PID自适应算法在流量压力控制系统中的应用

介绍了一种模糊PID自适应算法的实现过程,不但对单一控制对象的系统可以根据经验选择合适的PID参数,实现稳定、较好的控制效果,而且对于一些由于控制对象相互影响、时变不确定的系统也取得了较好的控制效果。

使用卫星资料进行边界层四维变分同化研究综述

数值天气预报是当前天气预报的重要手段之一,而同化工作一直是数值预报研究的重点。在查阅了近年来国内外相关文献的基础上,对使用卫星举行资料边界层四维变分同化的研究进展进行了论述,并对最优插值法和变分法2种主要的研究方法进行了简单介绍。研究结果认为,变分方法对于初始场的改善具有明显的效果,与纯粹的统计插值方法相比,变分法具有十分明显的优势;理论上变分法能够同化所有类型大气探测资料,对非常规探测的包容能力极强,不仅能最大限度地获得观测中的信息量,而且避免了各种反演不适定问题。

关于极限概念的教学方法探讨

以函数极限的ε-δ定义为例,分析了学生难以理解和接受极限概念的原因,在此基础上提出了克服这一教学难点的方法.在极限教学之前,通过超前训练的方法帮助学生建立学习ε-δ定义时所必要的实例.在讲授极限概念时,通过几何直观法利用函数图形的几何特征对ε-δ定义进行剖析和理解,并给出极限基本性质的推导.

非共振二阶椭圆型方程解的存在唯一性

利用Galerkin逼近方法和minimax原理,证明了非线性非共振椭圆型方程弱解的存在唯一性。

臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。

FY-3A MWHS资料同化对湿度场预报影响评价的试验研究

风云三号A星(FY-3A)是中国第一颗携带微波湿度垂直探测仪(MicroWave Humidity Sounder,MWHS)的气象卫星,可以为全球及区域数值天气预报提供湿度信息。本文结合中尺度数值预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF),利用改进后的中尺度数值预报同化系统(Weather Research and Forecasting Model Data Assimilation System,WRFDA),研究FY-3A/MWHS资料同化方法,并与美国国家海洋和大气管理局微波湿度计资料(National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Microwave Sounding Unit-B,NOAA/AMSU-B)进行同化对比,分析FY-3A/MWHS资料同化对湿度场分析和预报的影响。结果表明:MWHS资料同化可以有效改进湿度分析场,且对分析场的改进明显优于NOAA/AMSUB资料同化,MWHS资料同化对湿度场预报的调整总体优于NOAA/AMSU-B资料同化,MWHS资料同化试验18 h内的湿度场预报精度明显优于NOAA/AMSU-B同化试验。由试验结果可知,中国FY-3A气象卫星MWHS资料在区域尺度数值预报中具有较好的应用前景。

台风强度变化最快时涡度的解析解

利用旋转坐标系中的基本方程推导得到动能方程,通过动能的局地变化率定义刻画台风强度变化率的能量泛函,对泛函作变分得到Euler⁃Lagrange方程.分析方程可知,当台风强度变化率达到最大时,摩擦力、气压梯度力、重力和动能梯度满足四力平衡关系.因此,这四个力确定的向量可以作为台风强度的预报因子,更准确地确定台风系统强度变化率达到最大的时间点.进一步通过风场变分分解提取到有旋场中的最大涡旋,得到台风强度变化最快时涡度和流场的解析解,对研究台风发展过程中速度的变化趋势和台风的空间结构具有实用价值,为台风路径和强度预报提供了一定的理论指引.

南太平洋副热带偶极子对中国气候影响的数值模拟

本文基于Hadley中心的海温数据集HadISST,利用EOF(Empirical Orthogonal Function)方法,分析了北半球冬季南太平洋副热带海温的特点,其第一模态呈现为马蹄型偶极子的空间分布(两个冷极中心和一个暖极中心),即为南太平洋副热带偶极模态(South Pacific Ocean Dipole,SPOD);其次采用通用地球系统模式(the Commuinty Earth System Model version1.0.4,简称CESM1.0.4)探讨了SPOD模态对中国冬夏气候的影响.数值试验结果表明,在北半球冬季,SPOD偶极模态可使中国华东和东北等地区的地表温度(Surface Temperature,TS)减小、海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)升高,而在中国西南地区的TS、SLP分别增加和降低.与此同时,SPOD偶极模态通过海气相互作用可诱发低(高)层索马里越赤道气流(Somali Cross-Equatorial Flow,Somali CEF)和中国南海越赤道气流(South China Sea Cross-equatorial Flow)出现异常南(北)风、中国20°N—40°N附近的大气异常上升运动、水汽通量散度在中国华北和长江中下游地区异常辐合,从而引起该区域的降水增加.在北半球夏季,虽然SPOD偶极模态在衰退,但仍对中国区域的SLP、TS存在影响,且基本与冬季相反.此时SPOD偶极模态可使低(高)层索马里越赤道气流呈现北(南)风异常和中国南海越赤道气流呈现南(北)风异常、中国30°N、40°N附近大气的垂直运动分别呈现异常上升、下沉运动,从而水汽在华北附近区域为异常辐散、在华东至华南部分区域为异常辐合,这些可能是引起中国东部降水呈现北负南正的异常空间型的原因.

基于遗传算法与牛顿法的联合算法在地表发射率反演中的应用

结合遗传算法全局高效搜索和牛顿法局部细致搜索的优势,充分利用一种算法的优点弥补另一种算法的不足,进而引入一种基于遗传算法和牛顿法的联合算法,并将联合算法应用于反演地表发射率的函数关系中.结果表明,联合算法中由遗传算法提供的初始值使得牛顿法下降的速度快,且很快趋于稳定,达到精度要求;而由任意初始值提供给牛顿法,目标函数下降到一定阶段后反而有所回升,然后才保持稳定,且经和联合算法迭代相同的次数后,目标函数的值仍然非常大,远远达不到要求.因此,从可行性、计算效率上看,联合算法均优于单纯的牛顿法,是一种性能稳定,计算高效的下降方法.