基于时间序列分析和卡尔曼滤波的霾预报技术

为了提高霾预报的准确率,解决时序模型的预测延时和准确率不高的问题,提出了一种基于时间序列分析和卡尔曼滤波相结合的混合霾预报算法。首先,利用图检验法和单位根检验法(ADF)检验时间序列的平稳性,通过差分运算将非平稳序列转化成平稳序列,对转化后的平稳序列进行建模;然后,将得到的模型方程作为卡尔曼滤波的状态方程和观测方程,依靠卡尔曼滤波递推性进行预报。实验结果表明,采用时间序列分析和卡尔曼滤波相结合的混合霾客观预报订正方法能有效提高霾预测精度。

基于BP神经网络的污染物浓度多模式集成预报

基于中国气象局雾-霾数值预报系统CUACE、北京区域环境气象数值预报系统BREMPS和华东区域大气环境数值预报系统WRF-Chem三个环境气象模式预报产品,利用BP神经网络方法建立多模式集成预报模型.首先通过实验得到BP神经网络的训练函数、隐含层节点数和训练样本长度分别为贝叶斯归一化训练函数trainbr、10和50.随后选取北京、天津和石家庄站点的预报结果检验该模型的预报性能.结果表明:(1)相对于单模式,BP神经网络集成预报的3~72h逐3h污染物浓度和观测之间的归一化平均偏差从-100%~200%降低到-20%~20%,污染物浓度和观测的均方根误差比各单模式降低15%以上,相关系数从0.1~0.8提升到0.3~0.85之间,说明其预报结果优于各单模式.(2)2016年AQI等级评估表明,集成模型预报的北京轻度和中度污染的TS评分分别比CUACE提高22%和10%,在天津重度污染的空报率和漏报率分别降低31%和25%.(3)2016年12月份的重污染过程评估发现,集成模型预报的PM2.5浓度的演变趋势和实况基本相符.

极涡研究进展

极涡是北极地区的一个深厚系统,它以极地为活动中心,最能体现高纬大气活动特征,属大气环流最主要的系统之一,通常与副热带高压、阻塞高压、季风等环流系统相互配合,在全球天气气候变化中起着至关重要的作用。本文就极涡的气候特征、对天气气候的影响、变化机理及数值模拟等几方面的研究进展进行综述。在行星波破碎、平流层爆发性增温、平流层对流层的动力耦合等过程中,极涡也扮演着重要角色;极涡对HNO3、臭氧等大气化学成分渗吸和输送过程的影响显著,而这些化学成分的再分布对极涡有较强的反馈作用;极涡还受到海温、冰雪、植被甚至太阳活动等的影响。前人已经关于极涡做了不少研究,但在气候动力学方面,还存在一些问题,有待进一步加强研究。

北极涡活动对我国同期及后期气温的影响

利用NCEP/NCAR 1950—2002年500 hPa月平均再分析高度场资料计算出北半球及各分区的月平均极涡面积、强度,讨论了它们与我国气温的相关。结果表明:北半球500 hPa年平均和4季的极涡面积大小与我国多数站点同期气温呈负相关,尤其在年平均及冬季状况下最显著,1—12月极涡面积与气温的负相关呈由减弱到增强的变化趋势;而极涡强度与我国同期气温的相关性相对较弱,在秋冬季不少地区出现正相关,1—12月极涡强度与气温负相关性的变化趋势是由增强到减弱。利用奇异值分解研究极涡对后期我国气温的影响后发现,极涡指数与后期我国气温呈负相关,但不同季节差异较大。当冬季Ⅳ区极涡面积显著缩小、北半球极涡总强度明显增强时,长江中下游以北及东北地区下一年春季气温通常上升;春季Ⅰ区极涡面积、强度异常偏大,则夏季华南沿海、西南及河套地区气温比常年偏低;若春季北半球极涡强度减弱、夏季亚洲区极涡面积收缩,则其后的秋季华北气温相对较高。

0604号强热带风暴碧利斯异常强降水过程的诊断分析

基于0604号强热带风暴“碧利斯”异常强降水对我国造成的巨大影响,使用地面加密观测资料、卫星云图资料、NCEP/NCAR再分析资料及中尺度模式输出的产品,对此次强热带风暴登陆减弱后缓慢移动且长时间维持而引发的湖南、广东等地强降水过程进行了诊断分析。结果表明:受西太平洋副热带高压、北方大陆高压、青藏高原东部高压及低纬赤道高压的包围,低压移动缓慢,而西南季风气流及副高西南侧的东南气流源源不断地输送水汽到低压环流中,有利于其强度经久不衰,低压持续存在。对中尺度数值预报产品和物理量场的分析发现,水汽供应充沛,低层气流辐合性较强,垂直对流旺盛,是这次强降水发生的有利条件。

2005年7月一次大暴雨过程的模拟和诊断分析

基于2005年7月9—10日河南、安徽等地一次大暴雨的巨大影响,利用中尺度模式(MM5)对此次过程进行了模拟,并使用NCEP/NCAR再分析资料和模式输出产品作了多种物理量诊断分析,结果表明,贝加尔湖附近阻高、下游的东北冷涡及其伴随的高空槽造成了有利的环流形势,低层切变线及急流是此次暴雨过程的最主要影响系统。散度、涡度、垂直速度、螺旋度及位温的分布和演变反映出在此次降水发生过程中,暴雨区出现了很强的辐合上升运动,中低层大气层结不稳定性强,上下层大气物质交换强烈,在暴雨区上空螺旋度呈"下正上负"的垂直结构,螺旋度正的大值区对应强降水中心;水汽通量散度的分布说明暴雨区有充足的水汽供应,而锋生条件为降水的形成和维持提供了一定的能量。

夏季北极涡与副热带高压的联系及对华北降水的影响

由于北极涡与副热带高压是两个影响我国天气气候变化的主要大气环流实体,两者紧密相联,且均对华北夏季降水有明显作用,本文使用NCEP/NCAR再分析资料、国家气候中心提供的74个大气环流因子及中国160站月降水资料,利用合成分析、相关分析及SVD等方法讨论了夏季北极涡与北半球大气环流及副热带高压的相互关系,分析了夏季北极涡及副高对华北降水的共同作用。结果表明:(1)北极涡的变化不仅与高纬高度场密切相关,而且与中、低纬度环流紧密联系,当极涡异常偏大偏强,中、低纬地区位势高度均明显偏低,北半球副高的面积和强度易偏小,北界位置易偏南,其中副高强度的变化最大。(2)各分区极涡因子与副高因子之间基本呈显著的负相关,而与西太平洋和南海副高的北界、脊线位置呈正相关。(3)极涡指数、副高脊线及北界指数与华北降水之间以正相关为主,副高面积、强度指数与华北降水基本呈负相关。当亚洲和欧洲区极涡异常南扩,北非、大西洋、北美副高显著收缩减弱,西太平洋和南海副高明显北抬时,华北降水易增加。

北极涡年代际变化及其与我国春季降水的关系

基于NCEP/NCAR的500hPa再分析高度场资料计算出多年北半球及各分区的极涡面积和强度,利用线性倾向估计、小波分析及二项式滑动平均分析极涡及我国春季降水的年代际变化特征,并采用奇异值分解讨论同期及前期极涡对我国春季降水的影响。各季节极涡面积及强度均存在显著的年代际变化,在20世纪70年代中期之前有上升趋势,而后出现下降的趋势;但极涡面积总体上有显著的线性变小趋势。在60年代中前期极涡位置偏向亚欧大陆,在90年代中后期极涡位置有偏向太平洋和大西洋一带趋势。我国160站平均春季降水量经历较明显的3次上升过程和4次下降过程;华南、西南地区春季降水趋势与长江流域、黄河流域呈现两种相反的分布型;在20世纪60年代中前期、90年代初及末期,长江流域、黄河流域春季降水量偏多,而在80年代末期、90年代中期及本世纪初,华南、西南地区出现偏多。在春季,若II区(150°E～120°W)极涡面积异常大,I区(60～150°E)、III区(120～30°W)极涡强度异常弱,长江、黄河之间中游地区的降水出现负距平,广东、福建沿海降水出现正距平。前期冬季极涡比夏、秋季极涡对我国春季降水的影响更明显,特别是前冬北美区、大西洋欧洲区极涡面积的影响。

用自由模对1998年夏季阻塞形势的诊断分析

签于大气自由模和阻塞高压的重要性 ,首先简要介绍阻塞高压与中国夏季降水的关系及 1998年夏季 5 0 0hPa异常环流场 ;然后利用 2 1波菱形截断的谱方法求出无粘性、无强迫正压涡度方程的自由解 ,即和实际大气流场十分接近的大气自由模 ,并讨论其特征 ;最后利用大气自由模的特征诊断分析了实际大气的环流特征 ,并重点用其分析了 1998年夏季的大气环流异常形势。结果表明大气自由模能很好地反映大气环流大尺度特征 ,而略去了中、小尺度涡旋 ;大气自由模的流场和绝对涡度场之间的散点图反映了 (q ,Ψ )的函数关系是分段线性或非线性的 ,尽管实际流场与绝对涡度场之间的点阵图反映两者之间成不同斜率的线性函数关系 ,但点阵比较发散 ,不能突出某些重要系统 ;1998年夏季实际大气自由模态突出了大气环流的重要特征 ,例如 ,越赤道气流、西风急流、副热带高压、阻塞高压及两极的边界效应等 ;通过自由模态的特征可以识别出纬向流及阻塞高压的持续异常 ,利用自由模的稳定性判断阻塞高压的稳定性 ,不稳定模态可以维持一段较长的时间 ,且由于这些不稳定的模存在 ,才使 1998年 6月中旬到下旬的中高纬阻塞高压稳定维持。

300hPa北极涡年际及年代际变化特征的研究

利用NCEP/NCAR 1949—2002年月平均再分析高度场资料,通过线性倾向估计、二项式系数加权平均、Morlet小波分析等诊断方法,系统地讨论了300 hPa北半球极涡面积、强度及中心位置的年际和年代际变化特征,结果表明:(1)年平均北极涡的面积在20世纪70年代中期之前在总的上升趋势中有几次较小的波动,之后在总体下降趋势中有几次较大的起伏;Ⅰ、Ⅱ区的线性变化趋势非常小,Ⅳ区最大,夏季的年际变化相对明显一些,秋季变化最弱,各季节均有线性收缩趋势,冬季幅度最大,秋季最小。(2)年平均极涡强度的年际、年代际变化特征与极涡面积有相似之处,但不同年份存在显著差异;各分区的强度变化与北半球类似(特别是Ⅰ区);夏季的年际变化幅度最大,春、夏季年代际变化的特征明显,秋季最弱。(3)北极涡中心位置通常并不在北极点,各分区极涡总面积所占的百分比有明显差异,且有月际变化,这些差异与海陆热力差异造成的环流的差异密切相关;极涡的主要位置有一定的年际、年代际变化特征;极涡中心位置主要偏向亚洲大陆及太平洋一侧。

北半球E-P通量分析及其与副热带高压的关系

利用北半球 1 951— 2 0 0 0年冬季 (1月 ) 2 0 0 h Pa、50 0 h Pa的月平均资料 ,计算出 E- P通量 ,并根据平均环流的 E- P通量剖面图 ,研究了北半球冬季在大地形作用下 ,波动对基本气流的作用 ,以及波流相互作用下行星波的传播。北半球冬季平均 E-P通量的辐合辐散与地形作用形成的大槽大脊相对应 ,其强度也与槽脊的强度相一致。另外 ,根据多年夏季 (7月 )的月平均高度场、风场及降水资料得到 E- P通量和副热带高压的关系 ,进一步得到 E- P通量与异常天气的关系。

2010年3月14日华北强降雪的模拟和特征分析

主要对2010年3月14日华北强降雪进行了模拟、诊断和特征分析。此次华北降雪在中、低层主要受西风槽、低涡及切变线影响,蒙古气旋东移加强、地面倒槽发展及东风回流建立构成了有利地面天气形势,西北涡、强势的西南暖湿气流及稳定的环渤海高压对此次强降雪至关重要。垂直速度、散度、涡度、螺旋度的分布和演变反映出在此次降雪过程中,强降雪区出现了很强的辐合上升运动,降雪区上空螺旋度呈"下负上正"的垂直结构,螺旋度大值区对应强降雪中心;而锋生条件为降雪的形成和维持提供了一定的能量;相对湿度和水汽通量散度的分布说明强降雪区整层湿度较大,且水汽供应充足。

材料力学中梁变形分析方法的关联

杆件变形涉及刚度和稳定性问题,梁变形问题作为其中典型代表在材料力学教学内容中占据较大比例。梁变形的求解不仅方法众多而且分布于教材的多个章节,本文讨论了不同方法的异同,意在辅助学生建立相关问题的知识“框架”,加深概念理解并开展思辨训练。

旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青层施工检测研究

文章结合南京市浦口区杨茆线旧水泥混凝土路面改造工程实例,介绍了旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青面层的相关施工技术,并通过测量共振碎石化层粒径尺寸、回弹模量和破碎混凝土后路面层弯沉情况,得知共振碎石化作为基层时,能够解决反射裂缝问题,提升沥青路面结构层的技术性能。

基于支持向量机回归的城市PM_(2.5)浓度预测

为建立快速精确的PM2.5浓度预测模型,提出利用支持向量机回归(support vector regression,SVR)方法来建立PM2.5浓度预测模型。选取各大气污染物浓度以及各气象因素进行训练,对训练好的数据进行交叉验证,取得最优参数和最佳预测特征时间跨度,建立最优PM2.5浓度的预测模型。基于5个城市的实验结果表明,该方法具有普适性及实际应用意义,能够自适应地调整机器学习最佳参数,相比其它机器学习方法获得了更高的预测精度,为PM2.5浓度预测提供了一个简便而有效方法模型。

青岛“上合峰会”期间夜间臭氧增长成因分析

针对青岛“上合峰会”保障期间出现夜间臭氧(O3)浓度增长的现象,本文利用地面常规观测资料和污染物浓度数据对其进行分析和研究.结果表明,在6日20:00~23:00,青岛出现O3浓度持续性增长,峰值浓度达194μg/m^3,浓度增长速率达10.7μg/(m^3·h).结合NCEP/FNL再分析资料可知,在夜间西南风的作用下,江苏、安徽等地排放的O3及其前体物向青岛传输,并在边界层内下沉运动作用下,将其传输至近地面.通过计算边界层内通风量可知,6日边界层内最大风速区高度逐渐降低,达到低空急流的标准,且在夜间1000m以下的通风量呈现出波动性增长,500m和500~1000m高度的通风量峰值分别为3900和5892m^2/s.另外,本研究基于CAMx空气质量数值模式中的O3来源追踪方法(OSAT)对其进行了模拟分析,结果显示在夜间O3增长时段(20:00~23:00),青岛地区的主要贡献来源分别为江苏、安徽以及上海,上述3地的贡献比例平均为62.3%、16.6%和8.6%.

多车辆编队控制仿真研究

随着车辆保有量不断增长导致交通拥堵日益严重,为了有效提高道路通勤效率增加道路容量缓解交通拥堵减少环境污染,结合现有的自适应巡航技术,本文提出一种新的出行方式 - 组合车队出行。车队的头车采用人来驾驶,而后面跟随车辆根据控制算法对前车进行跟随,车与车的协同主要通过车载通信设备来实现车辆间的信息互通,跟随车辆根据得到的信息在做自身的控制决策。本文主要研究的内容是根据前车状态进行相应调节,在保证安全的前提下准确跟随前车使车队在行驶中保持队列的稳定。

多元逐步与概率混合回归法在霾预报中的应用

针对目前霾预报模型较少,预报准确率低等缺点,将统计预报与数值预报相结合,提出了基于多元逐步回归算法与概率混合回归的霾预报方法。利用多元逐步回归法控制影响因变量的物理因子,建立能见度预报方程,利用概率回归结合能见度、相对湿度等物理参量建立基于二值变量的霾预报模型。实验结果表明,与现有业务上主要运行的雾霾数值预报系统CUACE相比,提出的混合回归预报算法的预报准确率得到了显著提高。

2009年4月下旬蒙古气旋型大范围沙尘暴天气过程的诊断分析

利用卫星资料、加密观测资料、NCEP再分析资料分析了2009年4月下旬我国北方地区大范围沙尘天气过程的成因,并对热力、动力及不稳定层结等条件作了物理量诊断,得到了一些结果。贝加尔湖阻高、高空冷涡及蒙古气旋是造成此次大范围沙尘天气的有利环流形势,其中蒙古气旋是关键影响系统。干暖舌位置对于沙尘落区有一定指示意义,沙尘暴落区与干暖舌的位置及移动方向一致;沙尘天气主要发生在高空急流入口右侧,高空急流加强东移南压对应着沙尘天气东扩南压加强;螺旋度反映出沙尘暴过程中气旋区旋转上升明显,且螺旋度大值区后倾;理查逊数下降并维持低值、风垂直切变增大,大气层结不稳定,易激发沙尘暴发生和向下游传输。

基于多尺度分析的地基云图自动识别的研究

研究地基云图自动识别问题。地基云图由于受光照旋转等影响,传统方法提取的特征难以准确描述图像特征,导致地基云图识别的精度较低,还无法达到实际应用的要求。为了提高地基云图识别精度,提出采用多尺度分析的地基云图自动识别算法。首先将地基云图划分为若干个大小相同互不重叠的子图,然后采用三种不同尺度的权重局部二值模式提取每一幅子图的纹理特征,最后将子图的纹理特征顺序排列获取最终鉴别特征。通过对积雨云,高积云和层积云三类地基云图进行分类识别,实验结果表明改进方法可以增强云图的局部特征描述能力,有效提高地基云图分类的精度。