基于深度图像目标检测的智能台风涡旋识别技术

基于2005—2020年的中国气象局台风最佳路径数据集以及葵花(Himawari)8和风云(FY)卫星云图数据,首先将卫星原始数据转换为FULLDISK灰度图像作为台风涡旋识别技术的图像来源,并制定新的VOC (Visual Object Classes)标注规范,构建了样本标注数据集。利用运行速度快、识别准确率高的人工智能领域经典目标检测SSD(Single Shot MultiBox Detector)模型作为台风涡旋识别的基础模型,并针对台风涡旋识别的独特性,特别是弱涡旋识别困难,提出一种迭代的SSD目标检测模型,明显提高了台风涡旋的识别精度。通过目标检测技术对卫星云图进行智能特征分析、抽取、识别和定位,实现了自动涡旋正确识别和定位,最终建立了智能台风涡旋识别技术。测试结果显示:该技术对强热带风暴级以下强度台风涡旋正确识别率为40%~80%,对强热带风暴级及以上强度台风涡旋正确识别率达90%以上,能够精准识别强台风级及以上强度涡旋,该技术为今后业务利用高时空分辨率卫星图像对台风进行实时精密监测提供了技术支撑。      

南海区域海气热通量的变化特征分析

应用由卫星SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)和AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)遥感资料,使用先进的海气通量计算方法(TAGA COARE3.0),计算出南海1987年7月至2004年12月共200个月的海气界面的感热和潜热通量(0.25°×0.25°),其结果与实测结果比较发现,由卫星反演的海气热通量与实测结果非常一致.与GSSTF2的结果相比,其时空分布变化特征基本一致.由此说明,利用卫星遥感获得的热通量可以用来进行中国近海海气相互作用的研究以及作为我国气候预测研究的重要依据.由多年南海海气热通量的分析表明,南海区域热通量的变化具有显著的年变化和年际变化特征,其周期分别是0.5a、1a、准3a和6～11a.其中准3a和6～11a周期与中国旱涝的周期一致.因此,可以认为南海区域热通量的年际变化对中国的旱涝分布将起着不可低估的作用.     

1323号强台风菲特特点及预报难点分析

1323号台风菲特突然西折和近海强度维持是业务预报的主要难点,也是其风雨预报偏差的主要来源。本文利用常规气象观测资料、实时业务数值预报模式和NCEP再分析资料（1°×1°）,对“菲特”的特点和预报难点以及造成强风雨的成因进行了综合分析。主要结论如下：东亚高空副热带西风急流迅速增强导致副热带高压加强西伸是“菲特”路径突然西折的主要原因;副热带西风急流入口区右侧的强辐散是“菲特”近海强度维持及其北侧强风雨发生的主要动力机制;“丹娜丝”的存在除了为“菲特”强降雨的发生和维持提供充足的水汽输送外,还有利于副热带高压的西伸,也是“菲特”路径发生西折的主要原因之一;业务预报中,对对流层高层流场（尤其是副热带西风急流）的分析以及双台风相互作用的关注不够,可能是“菲特”路径、强度和风雨预报出现较大偏差的重要原因;此外,当台风路径集合预报发散度较大或不同集合预报系统出现截然不同的路径预报结果时,采用多模式集合预报订正技术将是提高台风路径预报准确率的有效途径之一。     

2017年西北太平洋台风活动特征和预报难点分析

利用历史台风最佳路径、中央气象台台风路径强度实时预报,以及ECMWF数值预报和NCEP海温实况等资料,对2017年西北太平洋台风活动的主要特征和预报难点进行了分析,结果表明：2017年台风生成具有源地偏西、南海台风偏多和台风群发特征明显等特征;台风活动具有年度活跃程度低、台风极值强度偏弱和超强台风异常偏少等特征;台风登陆具有登陆台风个数多、登陆地点偏南、登陆强度偏弱等特征。对2017年度的预报误差进行分析,结果显示：24、48、72、96和120 h台风路径预报误差分别为74、137、233、318、428 km,各时效误差均较2016年有所增加;但与日本、美国相比,除120 h外,中国路径预报水平依然处于领先地位。 24、48、72、96和120 h台风强度误差分别为3.6、5.4、6.6、7.4和6.8 m·s-1,较2016年有所减小,24 h误差为历史最低值。强度预报水平居于日本、美国之间。另外,2017年最主要的预报难点是双台风或多台风之间复杂的相互作用和近海快速加强台风的强度预报。     

2011年8月大气环流和天气分析

2011年8月环流特征如下：极涡呈现2个中心,强度偏弱。北半球中高纬度环流呈4波型分布,副热带高压脊线偏南,中旬西伸脊线点偏西,强度略偏强。2011年8月,全国平均气温为21.3℃,较常年同期（20.3℃）偏高1.0℃。全国平均降水量为85.7 mm.平均降水量偏少16.5%。月内出现了10次降水过程,西北太平洋有4个热带风暴活动,其中＂南玛都＂登陆我国台湾省和福建省,超强台风梅花对我国东部大范围沿海造成了较大影响。江南大部、华南北部及重庆、四川东部等地持续高温天气。     

季风槽内热带气旋生成的基本特征分析

利用美国关岛联合台风警报中心(JTWC)所提供的热带气旋(TC)、热带扰动、TBB、QuikSCAT观测风场和NCEP再分析风场等资料,统计了生成于季风槽内的TC(MTC),归纳了与MTC生成有关的季风槽主要模态,并进一步分析了不同季风槽模态下MTC生成的基本规律及其生成过程中中尺度对流系统(MCS)活动的时空特征.结...     

南海-西北太平洋季风槽中热带气旋群发的研究 Ⅰ.热带气旋群发的基本特征

应用1979—2005年西北太平洋热带气旋(TC)资料和NCEP/DOE AMIP-Ⅱ逐日再分析资料,在逐年分析南海-西北太平洋季风槽中TC(简称MTTC)生成及其群发的基础上,揭示季风槽中MTTC群发的基本特征,得到几点结论:(1)年平均MTTC群发过程3~4次,8月是MTTC群发最多的月份,占30%,9月次之,而5月份最少,仅占4%;(2)MTTC群发异常偏少年MTTC生成海区范围较常年偏小,位置较正常年份偏南、偏西;而异常偏多年MTTC生成海区范围较大,位置较常年偏北、偏东;(3)MTTC群发主要形成于4种季风槽环流模态中,即季风槽东伸型、反向季风槽型、三气流型、西太平洋季风槽型,其中,季风槽东伸型是MTTC群发的主要环流模态,占60.0%,西太平洋季风槽出现MTTC群发最少,仅占4.8%;(4)季风槽强度和形态的异常可能造成MTTC群发异常,而MTTC群发异常致使MTTC年频数异常。     

西太平洋暖池时空分布特征及其与ENSO的关系

应用NCEP/NCAR SST资料和SODA海温资料,分析研究了热带太平洋海温场的变化特征,讨论了气候突变前后热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)形态的显著变化及其差异,由此重新界定了WPWP的范围,并进一步分析了WPWP的时空变化特征。结果表明,新界定的WPWP气候平均场与前人定义的气候平均场分布特征基本相同,但也存在一定的差异。新界定的WPWP的优点在于它不仅能够客观反映出气候(海洋)突变前后西太平洋暖池的时空变化特征,而且重要的是可以避免由前人定义的WPWP与东太平洋暖池合为一体的现象发生,从而避免人为地计算WPWP面积变化带来的结果差异。新界定的WPWP平均深度可达130 m左右,呈现出西浅东深的"耳状"分布特征,在冬春季节,南北(经向)窄东西(纬向)宽,呈纬向带状分布;在夏秋季节,WP-WP明显向北扩展。平均深度最大中心位于(5°S,180°)附近。由WPWP区域不同深度的异常海温变化与Niño3指数的相关分析可知,WPWP次表层异常海温变化与Niño3指数呈显著的负相关关系,而与表层的异常海温的关系并不密切,这一结果进一步证明了西太平洋暖池对ENSO的贡献是来自次表层异常海温的东传。     

2018年一次温带气旋入海爆发性增强时期的集合预报对比分析

基于实况观测资料、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Forecast, ECMWF)0.5°（纬度）×0.5°（经度）水平分辨率的再分析数据和集合预报数据,对2018年2月一次入海爆发性气旋在黄海南部的爆发性增强时期的动力和热力因子进行了对比分析。根据气旋路径、强度和海面风的检验结果挑选出两组集合成员——好成员组和坏成员组。通过组间对比分析得到如下主要 结论 1）在气旋入海之后爆发性增强时,500 hPa高空槽和850 hPa中低层低涡迅速加强,同时低层和高层的西南急流均明显加大,中高层系统快速增强,上述因子均为气旋出现爆发性发展提供有利条件。2）气旋入海之后上升运动快速增强,这加剧了低层辐合与高层辐散,有利于地面降压,促使地面气旋的爆发性发展。水汽在中低层辐合后随气流上升发生凝结并释放潜热,这加强了高层辐散、低层辐合以及上升运动,促使气旋进一步爆发性发展。与此同时,对流层顶的高值位涡下传增强,低层大气斜压性受气旋上空冷暖平流的增强而增大,导致垂直稳定度减小,地面气旋性涡度增强,也有利于气旋爆发性发展。最终此次气旋快速增强并达到中等爆发性气旋的强度。3）虽然集合预报两组成员的平均场均比分析场弱,但是好成员组抓住了气旋上空中高层天气系统的快速增强过程,以及垂直运动、温度平流、水汽条件、位涡等预报因子和物理量的快速增强过程,其预报效果在气旋强度和路径等方面均显著优于坏成员组。