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南海台风模式对台风利奇马快速增强预报能力研究
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作者 黄燕燕 陈子通 +4 位作者 冯业荣 张艳霞 徐道生 郑彬 靳卫卫 《气象》 CSCD 北大核心 2024年第5期532-546,共15页
针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性... 针对台风利奇马(1909),分析中国气象局南海台风模式(CMA-TRAMS)和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式(HRES)对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性试验。CMA-TRAMS和HRES对“利奇马”增强具有一定预报能力,但对快速增强的速度预报明显低于实况,均不能满足24 h和12 h快速增强标准,可达到6 h快速增强标准。CMA-TRAMS采用3 km分辨率对“利奇马”移动路径和强度变化的预报效果优于9 km分辨率,但未改进快速增强预报效果;采用3 km嵌套9 km的方案,模式对台风快速增强的预报效果明显提升。采用MRF边界层参数化方案对台风路径、强度、快速增强的预报效果总体优于YSU方案。海温参数化结合32层垂直分辨率的初始场和边界条件的方案明显提高了快速增强预报效果,预报快速增强的频次、增强的最大速度更接近实况。分析表明,海温参数化方案使海气温差增大,在短时间内对大气、海洋之间的热量输送和交换有明显影响,海洋向大气输送的感热通量和台风内核区的潜热通量加强使内核更暖湿、气压负倾向增大,是预报效果改进的主要原因。 展开更多
关键词 台风 快速增强 可预报性 CMA-TRAMS 数值模拟 海温参数化方案
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基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究
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作者 倪悦 冯业荣 +1 位作者 黄燕燕 潘宁 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期1-10,共10页
采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体... 采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大(对模式地形高度偏低站点尤为明显),但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高(即模式地形高于测站高度)和地形高度偏差小于50m的站点,06时地面气温(世界时,下同)预报总体偏低,对地形高度偏低大于50m的站点(即模式地形低于测站高度),06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。 展开更多
关键词 南海台风模式CMA-TRAMS 模式地形高度偏差 地面气温 误差分级订正
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利用机器学习模拟湿物理参数化方案
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作者 陈锦鹏 冯业荣 +3 位作者 黄奕丹 蔡乐天 洪晓湘 文秋实 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期113-126,共14页
数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和... 数值天气预报模式的湿物理参数化方案对降水预报有很大影响。常规湿物理参数化方案计算复杂、计算量大,且存在较大不确定性。文中采用4种机器学习算法即基于决策树的梯度提升算法(LightGBM)、全连接神经网络(FC)、卷积神经网络(CNN)和卷积块注意力模块(CBAM)提取数值预报模式变量网格点周围的局部信息建模。针对一次中国南海台风过程开展湿物理参数化方案模拟试验,试验表明,4种机器学习模型均能较好地模拟湿物理参数化方案的温、湿效应,能够刻画台风对流活动产生的热源和水汽汇的螺旋结构。位温倾向在对流层中层误差较大,比湿倾向在对流层低层误差较大,随着预报时效延长模型的模拟能力有所降低。 展开更多
关键词 机器学习 湿物理参数化 数值天气预报模式
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华南登陆台风降水不对称性及持续性问题 被引量:4
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作者 黄燕燕 蒙伟光 +3 位作者 冯业荣 张诚忠 陈德辉 郑彬 《气象》 CSCD 北大核心 2023年第4期385-399,共15页
针对登陆华南台风降水及模式预报存在的突出问题,就当前关于登陆台风降水分布的不对称性及台风登陆后期持续性暴雨发生机理的研究状况进行回顾和分析,提出了需要深入研究的相关科学问题及模式预报技术改进的应对措施,为促进登陆华南台... 针对登陆华南台风降水及模式预报存在的突出问题,就当前关于登陆台风降水分布的不对称性及台风登陆后期持续性暴雨发生机理的研究状况进行回顾和分析,提出了需要深入研究的相关科学问题及模式预报技术改进的应对措施,为促进登陆华南台风暴雨预报工作和效果的不断改进提供参考。分析指出环境风场垂直切变、低层气团边界(如冷池边界)、干冷空气侵入、中尺度对流系统以及地形等是造成登陆华南台风降水不对称分布的重要影响因素。台风登陆后期华南发生的持续性暴雨往往与季风活动增强相关,活跃的西南季风为强降水中尺度对流系统(MCSs)发展提供有利条件,MCSs通过潜热加热反馈于大尺度环流,可使台风涡旋环流和西南季风得以维持并致使MCSs反复发生发展、暴雨持续。开展相关科学问题的深入研究,有针对性地考察评估目前模式的预报性能并提出有效改进方案,是进一步提高模式预报效果的重要途径。 展开更多
关键词 登陆华南台风 降水不对称性 持续性暴雨 形成机理 模式预报
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一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案 被引量:11
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作者 徐道生 张邦林 +3 位作者 曾庆存 冯业荣 张艳霞 戴光丰 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第6期1053-1061,共9页
台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料(台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等)来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增... 台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料(台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等)来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新(Incremental Analysis Update,IAU)技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对"山竹"台风的多次预报结果表明:(1)台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。(2)根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。(3)对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3-6 h效果较好。 展开更多
关键词 台风初始化 分析增量更新(IAU) 山竹
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华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估 被引量:8
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作者 林晓霞 冯业荣 +1 位作者 陈子通 简云韬 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2021年第4期656-668,共13页
基于华南地区自动站逐小时观测资料,采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES;Z;1 km模式和GRAPES;Z 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明:GRAPES;Z;1 km模式的降水预报技巧优于GRAP... 基于华南地区自动站逐小时观测资料,采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES;Z;1 km模式和GRAPES;Z 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明:GRAPES;Z;1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES;Z 3 km模式,模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报,00时(世界时,下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES;Z;1 km模式的TS评分是GRAPES;Z 3 km模式的两倍以上,对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES;Z;1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度,对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征,GRAPES;Z;1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES;Z 3 km模式,预报绝对误差更小;两个模式对风速的预报整体偏强,预报偏差在1~4 m/s之间,但相比之下GRAPES;Z 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES;Z;1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动,强降水过后温度预报整体偏低,风速预报偏强,在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说,GRAPES;Z;1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。 展开更多
关键词 GRAPES_GZ 降水预报 检验评估 FSS评分
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GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验 被引量:1
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作者 冯业荣 薛纪善 +1 位作者 陈德辉 吴凯昕 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第5期805-815,共11页
设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设... 设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法(GCR)求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。 展开更多
关键词 扰动预报模式 GRAPES非线性模式 四维变分同化 半隐式半拉格朗日方案 亥姆霍兹方程
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基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验
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作者 冯业荣 薛纪善 +1 位作者 李梦婕 戴光丰 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期902-920,共19页
为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化(4DVar)系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程(长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等)。对比业务... 为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化(4DVar)系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程(长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等)。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法(GCR)求解扰动亥姆霍兹(Helmholtz)伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。 展开更多
关键词 四维变分资料同化(4DVar) 扰动预报模式 GRAPES 区域模式
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基于卷积神经网络的逐时降水预报订正方法研究 被引量:20
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作者 陈锦鹏 冯业荣 +3 位作者 蒙伟光 文秋实 潘宁 戴光丰 《气象》 CSCD 北大核心 2021年第1期60-70,共11页
应用2017—2018年5—9月福建省观测资料对华南区域中尺度模式(GTRAMS-3 km-RUC)预报进行站点检验,建立和训练基于卷积神经网络的逐时降水分级订正模型,并与频率匹配法进行2017—2018年测试集的对比试验和2019年数据集的模拟业务检验,探... 应用2017—2018年5—9月福建省观测资料对华南区域中尺度模式(GTRAMS-3 km-RUC)预报进行站点检验,建立和训练基于卷积神经网络的逐时降水分级订正模型,并与频率匹配法进行2017—2018年测试集的对比试验和2019年数据集的模拟业务检验,探讨了试验过程中遇到的样本不均衡、特征变量选取以及模型过拟合问题。结果表明:模式对于15 mm·h-1以上降水的预报能力弱,各订正方法对原始预报均有不同程度的改进作用。从评估指标来看,基于卷积神经网络的订正方法比频率匹配法表现出优势,其中相关系数判别方案下的网络模型对强降水预报的订正效果显著优于其他方法;在输入特征变量选取方面,应用主成分分析方案的模型训练收敛速度比相关系数判别方案更快,最佳训练期有所提前,但也更早进入严重的过拟合状态,而相关系数判别方案能够使网络模型的训练拥有更长的提升期以达到更具“潜力”的状态;基于卷积神经网络的订正方法对减少分类降水预报的漏报率、晴雨和弱降水预报的空报率具有显著作用,其优化程度明显超过频率匹配法。 展开更多
关键词 卷积神经网络 逐时降水预报 分级订正 相关系数判别 主成分分析
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New Evidence for Improving Omega Estimation by Explicitly Considering Horizontal Divergence 被引量:2
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作者 YUAN Zhuojian QI Jindian +3 位作者 GAO Shouting feng yerong XU Pengcheng WU Naigeng 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2014年第2期449-456,共8页
It is well known that the quasi-geostrophic (QG) omega equation with only two contributors respectively associated with vorticity advection (VA) and temperature advection is derived for midlatitude synoptic-scale ... It is well known that the quasi-geostrophic (QG) omega equation with only two contributors respectively associated with vorticity advection (VA) and temperature advection is derived for midlatitude synoptic-scale systems only.Based on reliable reanalysis data,new evidence revealed by cyclonic and anticyclonic cases indicates that forecasters might sometimes experience problems by paying too much attention to the 500-hPa VA when estimating vertical motions not only in subtropical systems but also in systems meeting all the assumptions of the QG omega equation.Our investigations also showed that explicitly considering the vertical profiles of horizontal divergence could allow for better interpretation of vertical motions and weather in these real cases,suggesting that this equation might not be sufficient due to the presence of only two horizontaldivergence-related (HDR) mechanisms and the absence of other HDR mechanisms,e.g.,frictional force,mountain barriers,diabatic/adiabatic processes,and acceleration/deceleration of air flows. 展开更多
关键词 omega estimation weather forecast horizontal divergence vertical motion
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A numerical simulation of latent heating within Typhoon Molave 被引量:1
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作者 LIU Yang LIN Wenshi +3 位作者 LI Jiangnan WANG Gang YANG Song feng yerong 《Acta Oceanologica Sinica》 SCIE CAS CSCD 2017年第7期39-47,共9页
The weather research and forecasting(WRF) model is a new generation mesoscale numerical model with a fine grid resolution(2 km), making it ideal to simulate the macro-and micro-physical processes and latent heatin... The weather research and forecasting(WRF) model is a new generation mesoscale numerical model with a fine grid resolution(2 km), making it ideal to simulate the macro-and micro-physical processes and latent heating within Typhoon Molave(2009). Simulations based on a single-moment, six-class microphysical scheme are shown to be reasonable, following verification of results for the typhoon track, wind intensity, precipitation pattern, as well as inner-core thermodynamic and dynamic structures. After calculating latent heating rate, it is concluded that the total latent heat is mainly derived from condensation below the zero degree isotherm, and from deposition above this isotherm. It is revealed that cloud microphysical processes related to graupel are the most important contributors to the total latent heat. Other important latent heat contributors in the simulated Typhoon Molave are condensation of cloud water, deposition of cloud ice, deposition of snow, initiation of cloud ice crystals, deposition of graupel, accretion of cloud water by graupel, evaporation of cloud water and rainwater,sublimation of snow, sublimation of graupel, melting of graupel, and sublimation of cloud ice. In essence, the simulated latent heat profile is similar to ones recorded by the Tropical Rainfall Measuring Mission, although specific values differ slightly. 展开更多
关键词 latent heat weather research and forecasting model Typhoon Molave thermodynamic structure cloud microphysics zero degree isotherm
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Analysis of Summertime Typical Pollution in Pearl River Delta Region——Numerical Simulation of Meteorological Field
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作者 Zhang Xiaochen Liu Yiming +3 位作者 Deng Xuejiao Chen Pakwai feng yerong Fan Qi 《Meteorological and Environmental Research》 CAS 2014年第4期9-18,共10页
Based on meteorological field and air quality observation data, air pollution process over Pearl River Delta (PRD) in August of 2012 was analyzed. There were five notable pollution processes in this month, in which ... Based on meteorological field and air quality observation data, air pollution process over Pearl River Delta (PRD) in August of 2012 was analyzed. There were five notable pollution processes in this month, in which four pollution processes were related to typhoon. By using meso-scale meteorological model WRF, meteorological characteristics of two pollution processes induced by tropical cyclone were contrasted and analyzed. Results showed that O9 and PMTo concentrations significantly increased in PRD region during Typhoon Haikui period (7 -8 August), and other pollutant concentrations were also high. However, 03 and PM10 concentrations did not significantly increase during Typhoon Kai-Tak period (16 -17 August). This kind of concentration difference between two processes was related to typhoon pathway, wind direction and velocity, atmospheric boundary layer height, vertical transport and horizontal divergence field. 展开更多
关键词 PRD region Pollution characteristics Tropical cyclone WRF model China
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