基于人工神经网络的集成预报方法研究和比较

用人工神经网络方法对同一预报量的各个子预报方程进行集成预报研究,并以同样的子预报方程进行回归、平均和加权预报集成。对神经网络集成预报模型与各个子预报方程及其它集成预报方法进行了对比分析研究。结果表明,人工神经网络方法所构造的集成预报模型不仅对历史样本的拟合精度比各个子预报方法及其它集成预报方法更好,独立样本的试验预报结果也显示出更好的预报准确性。并且,采用神经网络方法进行预报集成,可以避免以往集成预报方法难以确定权重系数的困难     

集成方法在热带气旋路径和强度预报中的应用

利用多元线性回归、递归正权决策和算术平均方法,分别建立热带气旋路径和强度多模式集成预报方程,并用2004年西北太平洋和南海生成的热带气旋资料进行预报试验,同时对各家预报和集成预报进行了检验分析。结果表明,用集成预报方法作热带气旋路径和强度预报是可行的,预报年总平均误差有一定程度的减小,最大预报误差也有所减小,出现较大预报误差的概率明显减小。集成方法的预报能力一般好于集成方法中采用的任意单一预报,体现了集成方法的优越性。     

2009年西北太平洋热带气旋定位和业务预报精度评定

依据《台风业务和服务规定》分析2009年热带气旋(TC)业务定位和业务预报精度,主要包括:6个方法的定位精度,12个综合预报方法、3个客观预报方法和6个数值预报方法的路径预报精度,以及4个方法的强度(近中心最大风速,下同)预报精度评定。结果表明:各方法的平均定位误差均小于21 km,平均17.1 km,较2008年有所改进。国内综合预报方法的24小时、48小时和72小时路径预报的平均距离误差分别为115.8 km、217.5 km和357.1 km,与2008年相比有所偏大;客观预报方法略优于综合预报方法,24小时和48小时预报的平均距离误差分别为113.0 km和211.4 km;4个官方综合预报方法比较发现,中央气象台对我国近海海域的TC路径预报具有明显优势。强度预报仍然以统计方法为主,2009年24小时和48小时近中心最大风速预报的平均误差分别为4.90 m·s~(-1)和7.43 m·s~(-1),相比近10年的平均水平,预报性能没有明显提高。     

OTS、MOS和OMOS方法及其优化组合应用于72 h内逐3 h降水预报的试验分析研究

开展了夏半年72 h内逐3 h降水预报试验,针对ECMWF模式预报、基于ECMWF的模式输出统计(MOS)预报、纳入超前空间实况信息的OMOS预报,以及三种预报的最优TS评分订正(OTS)预报,对比分析预报效果,探讨一种多方法结合能够提供良好预报性能的3 h定量降水预报技术方案。结果表明:在短期预报中,MOS预报与OTS订正相结合的MOSOTS综合预报方法的预报性能最好,而且MOS-OTS方法的3 h强降水预报与业务运行的城镇指导预报中融合主客观预报的降水预报相比,也具有一定优势;而在临近3 h预报中,则OMOS预报与OTS订正相结合的OMOS-OTS综合预报方法最优,3 h内0.1、3和10 mm以上降水的TS评分最高,比原始模式预报分别提高73%、198%和483%,Bias评分接近于1,在夏半年的逐日晴雨预报中,OMOS-OTS方法在大部分日期都稳定优于MOS-OTS预报和城镇指导预报。     

深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报的检验评估

目前数值模式对台风降水预报的准确率仍有待提高。为了评估深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报能力,选取了2015—2018年共14个影响广东台风个例,利用广东省2 300多个自动气象观测站的24小时累计降水观测资料,检验该系统的集合预报方法(含集合平均方法和概率匹配平均方法)和控制预报方法的24小时降水预报结果。(1)系统对台风24小时降水预报具有较好参考价值,三种方法的暴雨等级预报TS评分均达到0.39以上。(2)集合预报方法总体上优于控制预报方法,可改善珠江口两侧暴雨中心降水预报。其中集合平均方法总体预报效果最好,其降水预报均方根误差为38.1 mm,比控制预报方法减少18.8%,对暴雨等级预报TS评分为0.469比控制,预报方法提升20.1%,但是对特大暴雨等级预报能力不足;而概率匹配平均方法改善了小雨和特大暴雨的预报能力。(3)系统对较强台风的降水预报能力优于弱台风。在较强台风情形下,系统对粤东暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报方法偏差最大,其他地方降水预报偏大为主;在弱台风情形下,系统对降水预报存在明显系统性偏大,但对粤西暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报偏差最大。      

山岳型风景区最高最低气温预报方法研究

利用ECMWF预报场资料和地面观测资料开展支持向量机(SVM)、卡尔曼滤波(Kalman)两种统计方法对山岳型风景区气温集成预报方法的研究,并且结合自动气象观测站气温资料进行检验。结果表明:单一的SVM方法预报准确率较高且稳定,传统的Kalman方法预报效果不太理想,对长时效预报效果较差;加权集成后,3种集成方法预报稳定性较好、准确率比单一的SVM和Kalman预报方法均有所提高。从不同预报时效的检验结果看,各预报方法最高和最低气温预报准确率随着预报时效的增加均呈现降低的趋势。绝对误差分析表明,各预报方法最高气温的平均绝对误差均低于最低气温的平均绝对误差。     

区域降水数值预报产品人工神经网络释用预报研究

利用T213、日本细网格降水预报等数值预报产品,采用人工神经网络方法进行预报释用。通过聚类分析方法对广西自治区测站进行分类,简化预报对象,对数量众多的T213数值预报产品采用自然正交分解(EOF)方法,浓缩大量因子的有效信息,并结合日本降水预报因子建立广西5~6月区域降水量级的逐日人工神经网络预报模型。运用与实际业务预报相同的方法进行逐日预报试验。结果表明,用这种数值预报产品释用方法建立广西3个预报区域的B-P人工神经网络预报模型对中雨以上降水量级预报的TS评分分别为0.55、0.5和0.26,比目前业务预报中参考使用的T213和日本数值预报产品降水预报具有更好的预报效果。     

几种空气质量预报方法的预报效果对比分析

目前应用于我国各个城市空气质量预报业务的预报方法主要有三种 :数值模式预报、统计预报和综合经验预报。这几种预报方法都有其各自的优势 ,同时也存在一些不足。应用以上方法对天津市市区进行空气质量业务预报 ,通过实测资料与预报结果进行对比分析 ,给出这几种方法在天津市区空气质量预报中的预报效果客观评价。     

北京奥运演练精细化预报方法及其检验评估

2007年北京奥运演练期间精细化场馆客观预报方法,即支持向量机方法(SVM)和半周期函数拟合(HPFF)预报方法,为场馆精细化预报产品的制作提供了有力的技术支撑.利用2007年8月1-26日国家体育场、顺义水上中心等5个奥运场馆的5种地面气象要素(气温、相对湿度、风向、风速、和3小时累积降水量)观测资料,对SVM和HPFF客观预报方法以及预报员在客观方法基础上制作的3天逐3小时预报进行了检验评估.结果表明:(1)两种客观方法相比较,HPFF方法对于预报连续变化的气象要素(如气温、相对湿度和风速)的精细预报比SVM方法预报技巧高;而对不连续变化的变量(如:风向)的预报技巧低于SVM方法.(2)预报员制作精细要素预报在很大程度上依靠客观方法.预报员对于气温、相对湿度和风速的预报技巧略高于客观方法,对于降水和风向的预报技巧与客观方法相当.尽管预报员对客观方法的修正能力比较有限,但具有对两种客观方法结果做出择优选择的综合判别能力;(3)预报员0～63小时气温预报平均绝对误差约为1.8℃,气温预报误差≤1℃的准确率在43%左右,预报误差随预报时效变化不大;0～24小时相对湿度预报平均绝对误差约为10%,相对湿度预报误差≤10%的准确率是60%,误差随预报时效而有所增大;0～63小时风向预报准确率约20%,预报准确率随预报时效变化不大;0～63小时风速预报平均绝对误差在0.8～1.4m·s-1之间.     

模块化模糊神经网络的数值预报产品释用预报研究

综合应用预报量自身时间序列的拓展,数值预报产品和模块化模糊神经网络方法,进行了一种新的数值预报产品释用预报研究。将这种新方法与常规的数值预报产品完全预报(PP)方法进行了对比试验。结果表明,这种模块化模糊神经网络数值预报产品释用预报方法比PP预报方法的预报精度显著提高。并且,通过对预报模型“过拟合”现象的研究发现,这种模块化模糊神经网络的数值预报产品释用预报模型具有很好的泛化性能。     

西北地区干旱预测的EOF模型

该文在经验正交函数（EOF）分析的基础上,设计了一种适合于西北地区干旱预测的EOF模型,利用均生函数法、多元回归法和典型相关法对EOF模型进行了有效的预测试验,结果表明这种模型对西北地区的干旱有一定的预报能力。     

秦岭及周边地区夏季降水的主模态分析

基于秦岭及周边地区394站气象观测资料、欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析ERA-Interim数据,利用小波和回归等分析方法,讨论了秦岭及周边地区夏季降水年际变化的主模态以及与其相联系的大气环流异常。结果表明:1)在年际变化的时间尺度上,秦岭及周边地区夏季降水主要表现为秦岭南北降水的气候差异性变化(EOF1)、黄土高原第二地形抬升带与其两侧降水的反位相振荡(EOF2)、秦岭西南部降水正异常和其东北部降水负异常变化(EOF3)和关中平原的地形降水贡献(EOF4)4个模态,其解释方差总贡献为73%,并且具有显著的2~4 a周期,其中EOF3和EOF4还具有4~8 a左右的年际变化周期。2)回归分析表明,EOF1正位相环流特征表现为200 hPa急流偏弱,中纬度槽填塞,西太平洋副热带高压强度偏弱,有来源于东海的水汽输送,使得秦岭北部降水偏多;EOF2和EOF3分别具有显著的蒙古低压和东北冷涡环流特征;EOF4的500 hPa环流异常不显著。3)根据新定义的秦岭季风指数回归分析表明,回归场的季风指数和降水模态的时间系数显著相关,秦岭北部降水偏多(少),南部降水偏少(多),反映了强(弱)季风年的年际转换。反之则具有多态性,不同年份强(弱)秦岭回归季风指数的环流形势存在较大的差异,可能触发多种降水模态和位相振荡。     

基于EOF分解的中期平均气温距平客观预报方法

本文通过将500 hPa高度、850 hPa温度、海平面气压的预报与历史要素场进行EOF分解,并假定EOF分解空间函数(即特征向量)是基本稳定的,建立以EOF分解主分量系列的时间系数、预报站点附近基本要素值的时间序列与预报站点平均气温距平的多元线性逐步回归预报方程,结合ECMWF集合预报数值产品,生成全国范围未来10 d平均气温距平客观预报产品投入业务应用,并采用同号率方法检验。结果表明,客观预报产品在检验时段内,同号率平均值为0.77,明显高于ECMWF集合预报模式2 m温度直接计算得出的同类产品同号率0.63;该客观预报产品不仅在分布范围上,同时在距平幅度上预报效果均较好。此外,相关分析也证明同号率方法在检验中期时效气温距平预报中有其合理性。     

夏季东亚季风区500 hPa月环流异常及与我国降水关系的向量EOF分析

利用NCEP/NCAR1980～1997年夏季月平均风场及同时期我国160个测站月平均降水资料，讨论了运用向量经验正交展开(EOF)方法得到的流场月距平主要模态的时空变化特征。分析了主要模态与中国夏季降水(雨型)的相关分布，指出EOFl及EOF2模态与中国夏季降水最主要分布型式有很好的对应关系。用小波变换方法对主要模态的时间系数进行了分析，揭示了各模态的多时间尺度性质，发现3～6年周期振荡是主要的。     

四川盆地夏季降水年际变化的主模态分析

利用1979～2018年四川盆地134站夏季降水观测资料、ERA-Interim再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表温度及海冰资料,对比分析了四川盆地夏季降水异常主模态及其同期大气环流和前期海温海冰演变特征的差异,以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明:四川盆地夏季降水存在两类优势空间模态:全区一致型和东西反相型,在20世纪80年代多出现东西反相型,90年代到21世纪初以一致型为主,进入21世纪10年代后又多表现为东西反相型。不同模态所对应的大气环流和海温海冰的演变具有明显差异,全区一致型降水分布受低纬系统影响显著,在500 hPa高度场上主要表现为西太平洋副热带高压的位置及强度异常;850 hPa风场为辐合或辐散特征,受到来自孟加拉湾、南海、西太平洋三条水汽通道的共同影响,其中与南海水汽通道的相关性最高,一致型降水多/少年水汽在盆地区域南北边界为同收/同支;环流可能受到前期ENSO事件衰减的显著影响。东西反相型降水分布受中高纬环流的影响较大,在500 hPa高度场上的特征类似于极地欧亚型（POL）遥相关;水汽在区域南北边界为一收一支,西多东少型为南收北支,而西少东多型为北收南支,与西太平洋水汽通道关系显著;环流可能受到前期北极海冰异常的影响。     

一种预测高温危害天气的统计模型

本文使用自然正交分解方法，分析了华北及渭河流域冬麦区冬小麦灌浆乳熟期高温危害天气的时空分布特征。在此基础上，利用主分量分析倒筛选和调整复相关系数相结合的方法建立了预测高温危害天气的最佳回归模型。     

气象场序列几种插补方案的对比试验

采用基于 Ｅ Ｏ Ｆ Ｓ的主分量回归（ Ｐ Ｃ Ｒ）、 Ｅ Ｏ Ｆ Ｓ迭代法（ Ｉ Ｅ Ｏ Ｆ）和基于主分量典型相关的典型变量回归（ Ｃ Ｖ Ｒ）３ 种不同的统计插补计算方案,对同一区域同一种气象要素序列进行缺测资料的插补试验。结果表明,各种方案插补精度都与参数选择有关,无论缺测站点空间分布类型如何,当缺测点数小于 ６０ ％ 时,３ 种方案均有较好效果,以 Ｃ Ｖ Ｒ 最佳,且随缺测年数增长, Ｃ Ｖ Ｒ 优势更显著。     

Rotational atmospheric circulation during North Atlantic-European winter: the influence of ENSO

The dominant variability modes of the North Atlantic-European rotational flow are examined by applying a principal component analysis (PCA/EOF) to the 200?hPa streamfunction mid-winter anomalies (Jan?CFeb monthly means). The results reveal that, when this norm is used, the leading mode (EOF1) does not correspond to the traditional North Atlantic Oscillation (NAO, which appears in our analysis as the second leading mode, EOF2) but is the local manifestation of the leading hemispheric streamfunction EOF. The regression of this regional mode onto the global SST field exhibits a clear El Ni?o signature, with no signal over the Atlantic, while the associated upper height anomalies resemble the Tropical/Northern Hemisphere (TNH) pattern. East of North America, this TNH-like wavetrain produces a meridional dipole-like pattern at lower levels. Although in some ways this pattern resembles the NAO (EOF2), the dynamics of these two modes are very different in that only EOF2 is associated with a latitudinal shift of the North Atlantic stormtrack. Thus, the choice of the streamfunction norm in the EOF analysis allows the separation of two different phenomena that can produce similar dipolar surface pressure anomalies over the North Atlantic but that have different impact on European climate. These two modes also differ on their contribution to variability at lower levels: while NAO-EOF2 is mostly confined to the North Atlantic, TNH-EOF1 has a more annular, global character. At upper levels NAO-EOF2 also produces a global pattern but with no annular structure, reminiscent of the ??circumglobal?? teleconnection.     

湖南省夏季旱涝预报模型研究及试报

利用自然正交函数（ＥＯＦ）和最优子集回归（ＯＳＲ）两种统计方法建立了统计预报模型,即抓住了预报对象的主要特征,又考虑了预报成因的最优组合,试报结果表明,ＥＯＦ－ＯＳＲ预报模型是一种有一定价值的统计预报模型。     

陇东黄土高原春末夏初旱的气候特征及预测模型

应用自然正交函数分解(EOF)方法，分析了甘肃省庆阳地区春末夏初干旱的综合评价指数DH的空间分布特征及随时间演变规律；分析了春末夏初干旱对冬小麦和玉米产量的影响；应用逐步回归方法建立了春末夏初干旱的预测模型，业务使用效果良好。