针对模式风场的格点预报订正方案对比

为了将格点观测融合产品用于模式预报产品的滚动订正中,获得精准的预报效果,使用国家气象信息中心HRCLDAS（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System）业务系统产生的高频次格点风场融合产品作为实况资料,采用两种风场模型和8种格点误差订正方案,对模式风预报产品进行订正预报试验,试验选择欧洲中期天气预报中心10 m风预报产品的2017年1月1日—2月28日以及2017年6月1日—7月31日两个时间段,进行了预报模拟试验,对8种格点误差订正方案的订正结果进行检验,同时将订正场插值到站点,使用国家级2400个地面气象站风场资料进行站点检验,结果表明:无论从格点还是站点检验的平均绝对偏差、准确率、绝对偏差分布频率结果看,采用基于模式和实况因子的全格点滑动建模订正方案具有最佳的订正效果。     

基于CNN和RF算法的ECMWF降水分级订正预报方法

利用卷积神经网络(CNN)和随机森林回归模型,提出了一种新的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)降水订正预报方法。该方法首先根据ECMWF模式对站点雨量预报值所属的等级进行划分,再计算出不同等级相对应的高相关因子矩阵。进一步利用CNN模型对高相关矩阵进行综合特征提取的学习和训练。最后对CNN模型最终输出的特征因子中,选取若干个与预报站点相关性高的特征,并与ECMWF降水量场插值到预报站点的因子一起,作为随机森林回归模型的输入因子进行预报建模。通过对10个预报试验站点未来24h降水量的分级和不分级订正预报试验,结果表明:(1)ECMWF降水量分级订正预报方法的平均绝对偏差和均方根误差分别比利用ECMWF插值到站点的预报方法减小了20%和15%;(2)24h暴雨及以上的降水分级订正预报方法的平均TS评分为0.32,也显著高于EC插值的0.19;(3)与利用同样的预报模型对全样本(不分级)的传统数值预报模式产品订正预报方法相比,本文提出的分级订正预报方法在总体预报精度和暴雨及以上的强降水预报TS评分上均有更高的预报技巧。     

基于T213数值产品的安康降水分县预报释用

应用 T2 1 3数值预报产品的格点报资料 ,采用动力相似预报方法考虑各类降水的诸物理量和水汽条件 ,用距离加权平均插值方法将格点资料插值到预报站点上制作安康降水分县预报 ,预报效果较好     

多源融合格点实况数据在四川高温过程的适用性分析

利用1km和5km多源融合格点实况数据和四川地面观测站点资料,采用预报准确率、平均绝对误差、均方根误差和Alpha Index(AI)等统计量,选取2020年夏季四川2次高温天气过程对多源融合格点实况数据的质量进行了检验评估。研究结果表明:多源融合格点实况数据利用邻近插值方法插值到站点优于双线性插值;误差大值区主要位于高海拔地区,如川西高原、攀西地区及盆地山周;AI指数接近于0,多源融合格点实况数据没有随机误差,较为接近理想值;1km分辨率融合格点实况数据在四川的适用性优于5km,误差≤2℃的准确率可达98%,且均方根误差< 1。      

北京地区夏季多模式降水预报的降尺度集成应用

以2008—2010年5—9月日本、德国、T639数值预报模式降水产品为基础,采取反距离插值的统计降尺度分析方法,将数值预报模式降水格点数据插值到北京西北、东北、西南、东南区域的延庆、密云、房山、观象台4个典型代表站点上;再结合统计分析,将夏季产生降水的天气系统分为西来槽、东北低涡、蒙古低涡、其他系统4种类型,采用预报准确率定级方法对各家模式配以不等权权重系数,从而建立北京地区夏季多模式集成降水预报模型,并用独立的样本对预报模型进行了业务试运行检验,检验结果表明:所建模型对降水预报的改进效果较好,优于单个数值模式降水预报。该模型的建立和应用方法为其他区域本地释用数值模式降水预报产品提供了一定的客观参考。     

基于MM5模式的站点降水预报释用方法研究

对MM5模式输出产品解释应用，建立县级站点定量降水MOS预报模型。方案为将影响辽宁降水的天气模型归纳为动力诊断模型，从中构造出多个能够较全面反映降水模型特征的综合物理因子；根据站点降水的气候分布特征，对偏态分布的降水量进行正态化处理，处理方案为首先将降水量划分为有雨和无雨两档，然后对有雨样本进行分级、开4次方处理，经分析对比降水量经过正态化处理后建立的预报模型优于未经处理的模型。运用统计方法建立站点降水预报模型，该模型分为晴雨预报模块和雨量预报模块。通过2001和2002年夏季业务试运行表明，该模型对降水有较强的预报能力，较原模式预报水平有一定改进。     

基于ECMWF产品的站点气温预报集成学习误差订正

提出一种基于数值模式预报产品的气温预报集成学习误差订正方法,通过人工神经网络、长短期记忆网络和线性回归模型组合出新的集成学习模型（ALS模型）,采用2013—2017年的欧洲中期天气预报中心数值天气预报模式2 m气温预报产品和中国部分气象站点数据,利用气象站点气温、风速、气压、相对湿度4个观测要素,挖掘观测数据的时序特征并结合模式2 m气温预报结果训练机器学习模型,对2018年模式2 m气温6~168 h格点预报产品插值到站点后的预报结果进行偏差订正。结果表明:ALS模型可将站点气温预报整体均方根误差由3.11℃降至2.50℃,降幅达0.61℃（19.6%）,而传统的线性回归模型降幅为0.23℃（8.4%）。ALS模型对站点气温预报误差较大的区域和气温峰值预报的订正效果尤为显著,因此,集成学习方法在数值模式预报结果订正中具有较大的应用潜力。     

基于全场信息的数值预报产品释用方法研究

对于短期气候时间尺度预报来说, 短期内尚无有效方法提高数值预报产品精度, 建立一种能综合有效利用全场信息的非线性释用方法, 通过统计释用提高短期气候的预报准确率, 是一条可行的途径。通过CCA-BP法建立的典型因子, 可以代表因子场与站点预报要素之间的大部分协方差关系, 使因子与站点要素相关性大为提高, 进而通过神经网络技术 (BPNN) 建立非线性预报模型, 实现上述目标。以平潭、福州站10月旬平均温度、降水距平百分率预报为例, 分别使用CCA-BP-BPNN模型和插值模型对1983-2001年资料建立预报方程, 对2002-2005年的试报结果表明:解释预报对数值预报产品做了较大修正,使预报产品具有一定的使用意义及参考价值。从各项评价指标来看,CCA-BP-BPNN模型优于插值模型。该方法为提高短期气候数值预报产品的释用精度提供了一个值得参考的途径。     

汉中市汛期降水分级分县T213释用方法

利用 T2 1 3数值预报产品制作汉中市汛期降水分级分县预报 ,对 2 0 0 2 -2 0 0 3年 5 -1 0月T2 1 3数值预报格点场进行每个站点相关因子资料插值后 ,与同期的降水实况做了对比统计分析 ,确立每个站点降水量级与选用因子的临界指标值 ,再用多因子概率权重、 3 0 a各降水量级出现的气候概率和 T2 1 3数值预报对汉中市各个站点进行解释预报。应用表明 ,方法对 T2 1 3数值预报有一定的订正效果和较高的实用价值     

离散点气象要素平流外推模型

大气平流方程一般用于格点场数值预报的处理,鲜有应用到离散点要素外推。离散点平流外推模型不仅使时间方向站点资料补缺更具物理意义,而且为站点要素的预报奠定基础。模型首先根据站点离散特征,对平流方程进行改造,得到离散点风速、梯度本征向量,并通过频数统计拟合出平流项似然概率的高斯表达式,以此计算出新平流方程数值解。通过对单点和多点的实况试验,得出了模型的具体应用特点,并给出了一个实际的数据补缺场景,作用显著。该模型具有小巧、高效,易用等特点,有良好的普适性,作为一个通用的数学模型,为离散点的要素预报提供了一种新的思路。     

近57a长江黄河源区径流量变化异同特征分析

利用1956~2012年长江和黄河源区内2个水文站点逐月流量数据,分析了近57a两江源区径流的长期变化趋势、突变特征以及周期特征的异同。结果表明:长江源区径流量月变化呈单峰型,峰值在7月;黄河源区则表现为双峰型,峰值分别出现在7月和9月。近57a来,长江源区各季节及年平均径流量均呈现上升趋势,而黄河源区表现为年平均、春季和秋季平均流量呈下降趋势,而夏季和冬季则表现为上升趋势的特征。长江源区1960年和1968年前后的突变点比较可靠,在1998年前后可能也存在一次突变;而对于黄河源区,则在1960年和1968年前后的突变点具有较高的可靠性。长江源区年径流量主要存在9~10a和准22a的变化周期,而黄河源区年径流主要存在4a、7~8a和准16a的变化周期。      

黄河上游和源区气候、水文的年代际变化及其对华北水资源的影响

利用我国气象观测站1951~2000年降水、气温资料以及黄河上游有关水文测站1960~2003年的径流资料,分析了黄河上游和源区气候的年代际变化及其对径流变化的影响,并分析了黄河上游径流变化对华北水资源的影响。分析结果表明:黄河上游和源区降水从20世纪90年代有所减少,气温明显上升,导致了黄河源区和上游径流量锐减。黄河上游径流的减少是90年代黄河下游流量锐减、黄河断流天数增多的重要原因,并表明了黄河上游来水量的多少是影响华北地区水资源的重要原因。     

白河流域年径流量对气候变化的响应研究

基于气象和水文观测资料,分析白河流域年径流量与气象要素的关系并建立拟合模型,利用CMIP5模式在不同典型浓度路径(RCPs)下的模拟结果,预估21世纪白河流域年径流量的变化特征.结果表明:1981～2012年白河流域年径流量呈先减少后增加的变化趋势,与气象站观测的年平均最高气温呈显著负相关,与降水量呈显著正相关.以红原...     

基于贝叶斯原理降水订正的水文概率预报试验

利用淮河流域加密站点2008年6月1日—8月31日逐日降水资料、对应的T213模式的24 h, 48 h以及72 h集合预报,采用贝叶斯模型平均 (Bayesian Model Averaging,BMA) 方法对集合预报15个成员的降水预报进行了概率集成与偏差订正,采用排序概率评分 (CRPS)、平均绝对误差 (MAE) 对BMA的订正结果进行检验,并将订正后的降水预报输入VIC (Variable Infiltration Capacity) 水文模型中进行水文概率预报。结果表明:经BMA订正后的24 h, 48 h, 72 h降水预报精度较订正前有所提高;BMA模型给出的有效区间 (第25百分位数至第75百分位数) 预报将实况降水量包含在内的可能性比订正前更大;由水文概率预报检验指标分析可知,经BMA订正的降水集合预报,由VIC水文模型模拟得到的径流量变化趋势与实况较吻合。     

RCP情景下内蒙古黄河流域径流预估及其对水资源的影响

根据内蒙古黄河流域内72个国家气象站观测的1961—2005年和区域气候模式CCLM模拟的1961—2100年的气温和降水数据,采用BP人工神经网络模型,预估分析3种RCP情景下头道拐水文站2011—2100年流量变化,评估未来气候变化对流域水资源的可能影响。结果表明:①2011—2100年内蒙古黄河流域气温升高,降水变化不明显,年平均流量呈减少趋势,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景分别减少3.6%、2.7%和23.4%。②未来春季流量以增加为主;夏季在不同情景的变化趋势不一致;秋季在21世纪50年代前以增加为主,之后以减少为主;冬季则以减少为主。③未来流域可利用水资源呈减少趋势,尤其夏季水资源的供需矛盾加剧,以及径流季节分配发生变化,可能产生更大的春季径流。     

Modeling fields of river runoff (a case study for the Lena River basin)

The potential of the model approach to the construction of mean annual fields (maps) of specific runoff for large territories from meteorological data is demonstrated for the Lena River basin. The ECOMAG (ECOlogical Model for Applied Geophysics), the physically based distributed model of river runoff formation is used to simulate hydrological parameters. Methodological aspects of calibration of the spatial fields of model parameters are discussed. The results of runoff hydrograph calculations are compared with the data of hydrometric observations at 12 gaging stations for the period of 1966-2009. The field of mean annual specific runoff in the Lena River batin computed with the ECOMAG model is compared with the map of specific runoff constructed from the data on water discharge in the river network. The comparative analysis of consistency between the fields is provided, and the possible sources of errors are considered.     

气候变化对汉江上游径流的影响

 根据汉江上游安康以上流域1961-2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45 a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明：1) 近45 a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2) 在过去45 a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3) 径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。     

气候变化对汉江上游径流的影响

根据汉江上游安康以上流域1961-2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45 a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明：1) 近45 a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2) 在过去45 a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3) 径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。     

基于水土耦合机制的流域滑坡预报研究

降水诱发型滑坡灾害涉及水文与土壤失稳过程,是个非常复杂的预报难题。本研究应用CRESLIDE(Coupled Routing and Excess Storage and Slope-Infiltration-Distributed Equilibrium)模型,研究基于水土耦合机制的流域滑坡预报。模型输入格点降水由基于流域逐小时加密雨量站的反距离权重法插值获取;基于GIS、DEM和遥感技术,提取滑坡流域下垫面信息;采用分布式水文模型CREST模拟预报出滑坡研究区域的流域水文过程,作为中间变量驱动滑坡模型SLIDE,实现降水诱发型滑坡的预报。选择陕南月河流域2012年7月3—5日降水诱发型滑坡过程进行模拟预报,验证模型的适用性。结果表明,基于CRESLIDE模型的流域水土耦合滑坡预报模型在滑坡时空预报上表现稳定;通过ROC曲线分析CRESLIDE模型取得的特异性(87.8%)和敏感性(52.9%)均较好;本研究基于流域水土耦合机制研究滑坡机理预报,耦合了流域水文过程与土力学过程,使得流域水文模拟更为合理,在滑坡的预报与早期预警中表现良好,对同类滑坡预报有一定的借鉴意义。     

未来气候变化对淮河流域径流的可能影响

采用新安江月分布式水文模型, 结合1961—2000年历史月气候资料和4个CGCMs的3个SRES排放情景下 (B1, A 2, A 1B) 未来降水和气温情景模拟结果, 对过去淮河流域的径流进行模拟检验并对未来2011—2040年的径流影响进行评估, 为水资源管理和规划提供依据。结果表明:水文模型能较好地反映年、月流量以及多年平均值和季节的变化; 年流量模拟一般好于月流量, 淮河干流主要控制水文站如王家坝、鲁台子、蚌埠的年流量模型效率系数均在80%以上; 多年平均值模拟效果好, 平均绝对相对误差为10%。多数CGCMs不同排放情景下气候模拟结果表明:未来2011—2040年, 淮河流域气候将趋于暖湿, 但年径流量将可能以减少趋势为主。这对淮河地区水资源的可持续发展以及东线调水工程水资源统一调配和管理提出了较大的挑战。淮河流域大部分区域2011—2040年月径流量减少将主要发生在1月和7—12月, 变化趋势较为确定; 4—6月, 径流量将以增加趋势为主, 不确定性较大; 2—3月, 径流具有增加趋势的地区多分布在淮河以北地区, 具有减少趋势的地区则多分布在淮河干流及以南地区和洪泽湖、平原区, 这些地区增加或减少趋势的不确定性较大。