区域集合预报系统的集合变换卡尔曼滤波初始扰动的余弦分析约束方案

基于GRAPES区域集合预报系统,针对初始扰动对预报误差描述能力依然不足的问题,在动力降尺度构造集合初始扰动的基础上,本文利用集合变换卡尔曼滤波(ETKF)方法更新集合扰动以捕获更多中小尺度扰动信息,提出并发展了一种融合资料同化分析增量特征信息的新的分析约束扰动方法——余弦分析约束扰动,对ETKF更新后集合初始扰动的不合理信息进行适应性自主调整,使得不同空间尺度的初始扰动物理结构和振幅尽可能与相应的预报误差结构和振幅相一致。试验结果表明,随天气形式的持续演变,强降水区域分析约束调整的集合初始扰动的中小尺度信息明显更为丰富,且温度扰动显示出更明显的优势;在模式积分初期,余弦分析约束扰动方案的集合离散度和扰动能量在空间分布与演变特征等方面均表现出更为合理的发展趋势,初始扰动质量及预报性能由此得到了有效改善。

高速列车万向轴动不平衡检测的EEMD-Hankel-SVD方法

针对聚合经验模式分解(Ensemble empirical model decomposition,EEMD)的等效滤波特性依然存在模式分量间频带重叠较大的根本缺陷,提出一种高速列车万向轴动不平衡动态检测的新方法。该方法的核心是对万向节安装机座的振动信号进行EEMD分解得到基本模式分量,应用基本模式分量信号来构造Hankel矩阵,对该矩阵进行正交化奇异值(Singular value decomposition,SVD)分解,以奇异值关键叠层作为奇异值的选择准则对信号进行重构,应用重构信号的傅里叶谱来检测高速列车万向轴的动不平衡,消除EEMD分解模式频带重叠对故障特征的淹没和混淆效应,提高了谱的清晰度,凸显了故障特征。应用万向轴动不平衡试验数据对该方法进行试验验证,结果表明,该方法能够有效检测万向轴动不平衡引起的故障特征和万向轴的固有振动特征,与纯EEMD方法相比,该方法在谱的清晰度和故障表征力上得到了显著提高。

黄海海雾短时临近预报中云水路径的EnKF同化研究

在海雾的短时临近预报中,初始场的水汽凝结状态扮演着重要角色。为了改进初始场的云水含量,本文提出直接同化雾体云水信息的思路。针对2011年5月一次大范围的黄海海雾,借助EnKF (Ensemble Kalman Filter)方法,尝试进行了极轨卫星反演云水路径数据的同化试验。结果表明:(1)通过利用EnKF将云水混合比增加到背景场和分析场的控制变量中,构建云水观测数据与背景场之间的关系,实现云水路径数据的直接同化是可行的;(2)同化云水路径可显著改善海面气温与湿度状态,大幅提高海雾预报效果;(3)EnKF能够基于集合体动态统计流依赖的背景误差协方差是其取得良好同化效果的主要原因。值得指出的是,受集合样本误差的影响,需要特别关注云水含量与风之间的相关关系。

聚合支持向量机分类器的行人检测方法

针对支持向量机分类器的行人检测方法采用欠采样方法,存在正负行人比例不平衡造成的准确率不高问题,结合欠采样和EasyEnsemble方法,提出一种聚合支持向量机(Ensemble SVM)分类器的行人检测方法。随机选择负样本作为初始训练样本,并将其划分为与正样本集均衡的多个子负样本集,构建平衡子训练集,线性组合成EasyEnsemble SVM分类器;利用该分类器对负样本进行分类判断,将误判样本作为难例样本,重新划分构建新的平衡子训练集,训练子分类器,结合EasyEnsemble SVM分类器,得到Ensemble SVM分类器行人检测方法。在INRIA行人数据集上的实验表明,该方法在检测速度和检测率上都优于经典的SVM行人检测算法。

全球不同空间尺度陆地年降水的年代尺度变化特征

基于1951~2010年GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)的逐月降水数据,利用集合经验模分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition,简称EEMD法)对全球、东西半球、五个大陆和四个典型干旱半干旱区等不同空间尺度年降水量的年代尺度特征进行了研究,区分了不同空间尺度上降水的年代际变化及其长期趋势。结果发现:(1)全球陆地平均降水既存在年代际的周期振荡,又存在长期变化的趋势,降水的年代际周期振荡的强度远大于降水的长期趋势,两者的共同作用使得全球陆地平均降水呈现以年代际周期振荡为主的特征。(2)在半球尺度,2000年以前,东、西半球具有明显相反的年代尺度变化特征,东半球变干(降水减少),西半球变湿(降水增加)。(3)1951~2010年,欧亚大陆和非洲大陆与北美、南美和澳洲大陆的年代际振荡和趋势存在着一个近似反位相的关系;干旱化与干旱时段是完全不同的两个过程,两者所处的时段也不同;近10年(2001~2010年)全球五个大陆可能将进入一个相对湿润的时段。(4)四个典型干旱半干旱区降水的年代尺度变化具有明显的区域差异。总体来说,华北和北非与北美和中亚降水在长期趋势及年代际振荡上具有反位相的特征。华北和北非的年代际振荡具有近似的位相。在最近几十年,北美和中亚同处于湿润时段,但前者开始于1975年,后者开始于1985年。此外,中亚的第一个湿润时段(1959~1968年)却对应北美的干旱时段。

ECMWF集合预报和确定性预报对淮河流域暴雨预报的对比分析

本文运用2012年5—9月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的集合预报系统(Ensemble Prediction System,EPS)和确定性模式(High-resolution Deterministic forecast,HDet)资料对比分析了淮河流域暴雨的预报效果。对于集合预报,主要对比了基于EPS的日降水量极端天气预报指数(Extreme Forecast Index,EFI),和改进的贝叶斯模型平均(Modified Bayesian Model Averaging,MBMA)法对降水的订正后概率。由于ROC(Relative Operating Characteristic)检验是与模式的系统性偏差无关的,所以选用ROC检验,对比了不同空报率下的TS评分,以及不同方法的相对经济价值。对比检验的结果显示,各时效预报MBMA预报效果最好,其次是HDet,EFI的预报效果最差,其中2 d内的预报HDet接近MBMA,随着预报时效的延长,MBMA相对于HDet和EFI的优势不断增强。在不同标准下确定三种方法对淮河流域暴雨预报的阈值,结果显示MBMA同样优于HDet,EFI预报效果最差。但MBMA的优势是通过增加预报偏差得到,如果将预报偏差限定为主观预报的1.37,此时MBMA的效果和HDet的效果接近。

ETKF初值扰动方法中真实观测及扰动调节因子研究

目前国家气象中心业务GRAPES区域集合预报系统中集合变换卡尔曼滤波(ETKF)方法采用的是模拟观测信息,为进一步完善ETKF方法,拟对ETKF初值扰动通过引入真实探空观测资料,使扰动场能够代表真实观测的不确定信息,改善区域集合预报技巧。真实观测资料的引入会使得每日的观测数目和分布发生变化,这对ETKF方法而言可能会引起扰动振幅的不稳定,因此在引入真实观测资料的基础上设计了新的扰动振幅调节因子,通过格点空间中离散度和均方根误差关系来对初值扰动振幅进行自适应调整。从初值扰动结构、概率预报技巧以及降水预报效果等方面对比分析了基于模拟观测、真实观测以及真实观测结合新型调节因子的ETKF方案的差异,结果表明:真实探空资料能够有效应用于GRAPES区域集合预报系统中,真实观测资料与模拟观测资料相比较为稀疏,可以获得更大量级的初值扰动振幅;真实观测资料有助于提高区域集合的离散度,但对集合预报准确度以及概率预报结果的提高有限,对于降水预报效果提高也有限;新型的扰动振幅调节因子可以有效获得稳定的初值扰动振幅,并保持ETKF扰动结构,真实观测资料与扰动振幅自适应调节因子相结合,可以有效提高区域集合的概率预报结果,并有效提高降水预报效果。

一种组合EEMD与PCA的GPS台站噪声消除方法

针对由精密单点定位技术解算GPS台站观测数据得到的坐标时间序列中存在接收机观测噪声、共模误差、对流层延迟等误差的问题,提出一种联合集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)与主成分分析(principal component analysis,PCA)的方法,对序列进行空间滤波处理,以消除GPS台站噪声。对中国香港9个GPS台站一天的数据进行实验分析,结果表明,所提方法可以较好地消除原始序列中的误差,坐标定位精度有明显提高。