数值天气预报多要素深度学习融合订正方法

数值天气预报作为现代天气预报的主流技术方法,近年来不断朝着精细化方向发展,但预报误差至今仍无法避免.文中在CU-Net模型中引入稠密卷积模块形成数值预报要素偏差订正模型Dense-CUnet,在此基础上进一步融合多种气象要素和地形特征构建了Fuse-CUnet模型,开展不同模型的偏差订正试验和对比分析.以均方根误差(R...     

北京地区雷暴大风不同生命期内的雷达统计特征及预警提前量分析

选取2010—2014年发生在北京地区的19个致灾的雷暴大风天气过程,应用北京新一代多普勒天气雷达体扫资料的反射率因子和径向速度产品,分析了雷暴大风天气不同生命期内的雷达回波特征。分析发现依据径向速度大值区能对77.8%的带状回波造成的雷暴大风天气提前发布预警,能对100%的弓形回波造成的雷暴大风天气提前发布预警,而其中有67%可提前30min发布预警;孤立的块状回波前侧均未观测到阵风锋回波,径向速度图未观测到入流急流,径向速度大值区不明显。但径向速度图上观测到的中层径向辐合、入流急流、中气旋及反射率图上观测到的阵风锋都为雷暴大风的提前预警提供了重要指示特征。     

基于卷积神经网络的京津冀地区高分辨率格点预报偏差订正试验

为了进一步提高RISE系统高分辨率网格化预报产品的准确率,同时考虑到深度学习近年来在地学领域的有效应用,采用2019—2021年高分辨率RISE系统数据,设计出卷积神经网络模型Rise-Unet,实现了未来4～12 h地面2 m温度、2 m相对湿度、10 m-U风速以及10 m-V风速预报结果的订正。订正试验结果表明,采用均方根误差和平均绝对误差作为评分标准,与RISE原始预报结果相比,基于Rise-Unet模型可以有效提高温湿风预报结果的准确率。该基于深度学习的Rise-Unet偏差订正技术可应用于RISE系统的后处理模块,对提升RISE系统百米级分辨率或其他高分辨率模式系统格点预报水平具有重要的科学意义和应用价值。     

2013年我国近海赤潮引发种种类和分布研究

对2013年全国海洋环境监测1626个站位生物数据进行分析, 以近2001年～2013年在我国近海海域明确发生赤潮的生物作为赤潮引发种, 开展其种类组成和数量分布研究。结果显示: (1)我国近海赤潮引发种隶属于8门60种, 其中产毒种12种, 甲藻27种, 硅藻20种。(2)2013年共监测到上述赤潮引发种50种, 各监测站位种类数在0～25种之间, 平均密度在84～1.16×10¹¹个/m³之间, 赤潮引发种种类数、密度分布大致都呈现近岸至远海递减的趋势, 但在长江口及其邻近海域, 呈现先增大后减小趋势。(3)2013年各海区赤潮引发种种类数在36～42之间, 平均密度渤海>东海>南海>黄海, 多样性指数渤海>黄海>南海>东海, 都以中肋骨条藻(Skeletonema costatum)为优势种。(4)作为高频赤潮引发种,2013年中肋骨条藻(S. costatum)主要分布在我国近岸及近海海域; 夜光藻(Noctiluca scintillans)在我国近岸、近远海海域都有分布; 东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)主要分布在黄海和东海的近岸和近海海域; 米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi)分布较为广泛, 但出现的站位较少; 红色中缢虫(Mesodinium rubrum)、赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo)、红色赤潮藻(Akashiwo sanguinea)只在很少区域有分布。该研究结果有助于摸清我国近海海域赤潮生物种类和分布状况, 可为赤潮的预警及其防灾减灾提供基础科学依据。     

临近预报的两种高时空分辨率定量降水预报融合算法的对比试验

长期以来,雷达回波外推技术是0—2 h临近预报系统主要采用的方法,但其实际有效预报时间≤1 h,而中尺度数值模式预报则受平衡约束时间的限制,最初2 h的降水预报无效。为解决上述两种预报的缺陷,目前国际上流行采用外推预报与数值模式预报融合的技术,形成统一的0—6 h格点化的高分辨率无缝隙定量降水临近预报系统。对目前流行的两种融合算法（INCA（Integrated Nowcasting and Comprehensive Analysis System）算法及RAPIDS（Rainstorm Analysis and Prediction Integrated Data-processing System）算法）进行了分析和对比试验,以期为业务应用提供借鉴。RAPIDS算法的核心是用自动气象站雨量融合雷达估测得到的定量降水对模式预报的降水强度和位相进行修正;INCA算法则是用数值模式预报的风场修正外推技术的降水移动矢量。两种方法在0—6 h预报时效内,外推预报的权重均逐渐减小,模式预报的权重逐渐增大,从而实现外推预报和模式预报的平滑过渡。试验结果表明,两种方法对降水雨带和降水强度的预报均优于单一的外推预报或模式预报。集二者的优势研发最优的高时、空分辨率降水预报无缝隙融合算法,将有助于进一步提升高分辨率定量降水0—6 h无缝隙预报水平。      

渤海湾浮游动物群落变化及其与环境因子的关系

浮游动物作为海洋生物的重要类群,对气候变化及人类活动都具有较高的敏感性。本文基于2004—2015年渤海湾夏季浮游动物监测资料,分析了浮游动物的群落结构及物种变动特征,并探讨了群落变动与环境因子的关系。结果表明,2004—2015年,渤海湾夏季浮游动物群落的种类数和生物多样性总体呈上升趋势。渤海湾浮游动物分属于7个门类,其中节肢动物门和腔肠动物门种类数最多,近年来物种数增长最快。12 a间,渤海湾浮游动物群落组成发生了显著变化,中华哲水蚤Calanus sinicus、真刺唇角水蚤Labidocera euchaeta等大中型桡足类数量逐渐下降,太平洋纺锤水蚤Acartia pacifica、背针胸刺水蚤Centropages dorsispinatus等小型桡足类及异体住囊虫Oikopleura dioica、锡兰和平水母Eirene ceylonensis等胶质类浮游动物数量逐渐增加。渤海湾浮游动物的群落变化主要与温度、盐度、营养盐等环境因子密切相关。     

基于时空矩阵方法对福建省海湾水质变化特征分析

基于2005—2011年8月和2012—2015年5月、8月的水质监测数据，应用水质指标的主成分分析结果，对福建省海湾划分环境单元，通过时空矩阵方法对福建省海湾水质指标变化特征进行了分析。结果显示:（1）通过主成分分析，4个水质指标聚成两类成分，磷酸盐和叶绿素a聚为一类主成分，硝酸盐和溶解氧聚为另一类主成分；（2）以主成分权重值为坐标，划分福建省海湾表层水体为6个环境单元，以此建立水质指标相对含量的时间序列组合矩阵，对福建省海湾水质指标变化分析；（3）水质指标时空矩阵表现出一定的周期性变化趋势，环境单元的指标变化模式具有同步性，指标含量变化的绝对值从叶绿素a到营养盐再到溶解氧呈轻微增长；（4）两类主成分具有一定相关性，营养水平高低影响营养-浮游植物动态关系，当磷酸盐含量高于0.03 mg/L、硝酸盐含量高于0.25 mg/L，且营养盐时间周期变化显著时，叶绿素a时间周期变化与营养盐发生同步联动效应；（5）夏季福建省海湾水体生产力较低，大量陆源有机物输入、降解耗氧，表层溶解氧含量降低明显；（6）福建省海湾主要受两种性质差异很大的水体影响，富含高营养盐径流水团影响了河口及邻近海域的环境单元，而福建省南部海湾主要受台湾暖流及上升流影响，台湾暖流是东海海域磷酸盐的重要来源。     

欧盟及其成员国海洋塑料垃圾政策及对我国的启示

海洋垃圾已经逐渐成为一个全球性的新兴话题，尤其是塑料垃圾对于海洋环境具有破坏性的影响。我国目前还缺少海洋塑料垃圾的统一管理机制，对海洋塑料垃圾的防治还未有专门的战略规划，使得目前的污染防治成效不甚乐观，因此，整合 各部门力量和资源，对海洋塑料垃圾防治进行统一规划、统一管理是关键。本文在对欧盟及其成员国的海洋塑料垃圾政策搜集和梳理分析的基础上，从塑料的生产和使用、入海塑料垃圾的处理、海洋中已有垃圾的处置三方面与我国进行了对比，并从海洋塑料垃圾的法律体系、行动计划、全过程管控、监测防治技术、宣传教育手段和全球治理等方面为我国加强海洋塑料垃圾污染防治提出了建议。     

基于支持向量机的雷暴大风识别方法

基于北京市观象台雷达基数据和加密自动气象站数据,利用支持向量机算法建立了雷暴大风天气的有效识别模型。首先确立了9个用于识别雷暴大风的预报因子:回波顶高、最大反射率因子、最大反射率因子所在高度、垂直积分液态水含量、垂直积分液态水含量随时间变率、垂直积分液态水含量密度、雷暴大风发生前最大反射率因子下降高度、风暴移动速度、速度谱宽。通过计算各预报因子在大风和非大风样本中的概率分布,得到对应的各项预报因子雷暴大风的隶属度,利用得到的隶属度函数对样本进行归一化处理。确立核函数和模型参数,利用支持向量机建立雷暴大风天气的提前识别和临近预警模型。通过对北京2017年7月7日飑线和2012年5月19日块状回波引起的灾害大风典型个例的识别效果检验,得到两个个例预测的命中率、误判率和临界成功指数分别为92.0%,22.1%,73.0%和99.1%,40.5%,59.2%,对于提高雷暴大风预警预报的准确率有一定帮助。     

北京地区一次持续性雾霾天气分析

2015年11月27日至12月1日,北京地区出现了一次十分严重的雾、霾天气过程。综合分析此次雾、霾天气过程的天气形势、加密自动站、探空、风廓线雷达以及连续观测的PM2.5资料,结果表明:本次雾、霾过程,能见度的恶化与天气形势、PM2.5持续性波动增长、相对湿度增加、逆温出现频率高、近地层风速小及近地面偏南风输送有密切关系:(1)此次雾、霾过程期间,华北地区较长时间被地面高压后部的弱气压场和低压辐合区控制,地面风速和近地层风速较小,北京大部分地区处于弱的偏南风或偏东风控制中,很不利于污染物的水平扩散;(2)地面增湿趋势明显,低层偏南和偏东气流将水汽和上游污染物向北京地区输送,加之29日气温明显回升,导致地面积雪融化,近地面相对湿度增加,有时接近饱和;(3)边界层逆温一直存在,很不利于污染物的垂直扩散。