小波分析和EEMD方法在广州气温及降水的多尺度分析中的差异分析

利用小波变换和集合经验模态分解（EEMD）的方法对广州市1908—2010年103 a的温度、降水资料进行多尺度分析,并对比EEMD和小波分析的差异。结果表明:（1） 小波分解基于先验的小波基函数和分解层次有较大的人为选择性,易产生虚假波动;（2） EEMD具有自适性,分解结果更稳定和一致,处理非线性、非平稳数据更准确;（3） EEMD分解显示,广州的温度、降水均存在2~6.8 a的年际尺度波动,年代际尺度上,温度表现为13.6 a、34 a、68 a的波动周期,降水存在22.6 a的波动周期。      

用正交小波分析近百年来中国降水气候变化

从小波函数本身所具有的特点出发,针对小波基函数的选择等问题,从理论分析、方法比较以及实例计算等几方面对正交小波和非正交小波进行比较研究,并在此基础上用正交小波对中国17个站点近百年的年降水量序列进行分析.得到如下的结果:在对降水序列进行多尺度分析时,正交小波分解出的各个时间层次上的信号之间是相互正交,没有信息冗余.近百年中国降水的变化趋势在不同时间尺度上有不同的变化,且各地之间的显著尺度也不同.具有显著的小于3.5年、3.5～7年、7～14年的周期活动特征.     

强度尺度方法在模式定量降水预报检验中的应用

介绍了Casati于2004年提出的强度尺度检验技术,并将该方法应用到上海区域中尺度模式的预报检验中。结果表明,强度尺度检验技术可以提供一种从不同降水率闽值和空间尺度对模式定量降水预报进行评估的方案。该方法首先对预报场和观测场进行降水率闽值获得二进制误差场,并通过二维离散Haar小波对二进制误差场进行各个空间尺度的分解,从而评估模式在各个降水率闯值和空间尺度上的均方差和预报技巧。通过计算各空间尺度二进制误差场的均方差百分比和能量平方偏差,可分析不同的降水特征尺度误差对总体误差的贡献情况以及预报降水与观测的偏差情况。     

小波分析在大气科学中的应用简介

1前言小波分析是80年代以来发展起来的应用数学技术,它以群理论和平方可积描述为基础,允许人们把一个信号或一个场展开为空间（时间）和尺度及可能方向的函数。小波分析使用被称之为小波的分析函数,小波函数在空间是被局部化了的。尺度分解是在小波函数与信号之间进行卷积运     

青藏高原夏季500hPa纬向风的时空演变特征及其与我国降水的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国160个测站月降水资料, 采用经验正交函数分解 (EOF)、相关分析、合成分析等方法, 对青藏高原夏季500 hPa纬向风近59年来的年际、 年代际变化趋势及其与我国降水的关系进行了分析。时空演变特征的分析结果表明: 自1950年以来, 青藏高原夏季500 hPa纬向风总体呈现减弱趋势, 其中在1950年代西风偏弱, 1960年代西风明显偏强, 1970年代至21世纪初西风一直处于偏弱阶段; 纬向风变化趋势的空间分布表现为高原大部分区域上空纬向风呈现减弱趋势, 其减弱趋势由东南向西北递增, 高原西北部及中部地区减弱趋势最为明显; 对高原夏季500 hPa纬向风距平时间序列作EOF分解, 得出第一特征向量的空间分布表现为整体减弱型, 其时间权重系数呈现长期正趋势; 时间系数的11年滑动平均分析表明1950年代后期到1960年代中后期纬向西风整体增强趋势比较明显, 1960年代末到21世纪初为西风减弱阶段, 且期间没有出现明显的上升或下降趋势; 时间系数的突变分析表明纬向风在1967年发生了一次较明显的减弱突变; 时间系数的小波分析表明其具有2~4年的周期, 这一周期成分在1950年代前期和1990年代末至21世纪初这两个时段比较显著。年际、 年代际尺度上高原夏季500 hPa纬向风减弱与我国降水关系的分析均表明: 高原纬向风减弱时长江中下游以北的我国部分地区降水偏少, 以东北和华北表现明显, 长江中下游以南地区降水明显偏多, 降水场与大气环流、 水汽通量散度场都有较好的配置关系。     

基于集合经验模态分解和傅里叶分析的风场预测试验

采用集合经验模态分解(EEMD)和滑动傅里叶分析方法,建立了非线性气候序列的统计预测模型。针对气候要素距平场,对EOF分解得到的各模态时间系数进行EEMD分解,对得到的各IMF分量构建滑动傅里叶(Fourier)分析预报模型,提取出控制当前复杂气候信号的主要傅里叶频谱组合作为IMF分量的主要成分,即确定当前信号的主要波内频率,再将各个IMF分量和剩余项预测结果重构得到各模态时间序列的预测结果,最终通过时空重构得到预测场。将上述思想方法应用于新疆地区风场的预测试验,并采用距平相关系数(ACC),预报技巧(SS)和同号率(R)进行评估,结果表明对于区域性的风速预报,基于上述思想的算法模型能够较好地把握当前气候信号的主要变化频率,较为理想地预测了气候要素时间系数,对新疆地区风速变化的形态分布有较好的估计,使其预报时效在40侯以内均拥有一定的预报技巧,平均SS在0.5以上,36侯以内平均ACC达到0.4以上。     

尺度分解技术在定量降水临近预报检验中的应用

采用2004年Casati提出的强度-尺度检验技术,选取2008年汛期代表不同类型降水(对流云降水、层状云降水、混合云降水)的4个降水过程,从尺度分解角度入手,对"世界气象组织天气研究计划——北京奥运会预报示范项目"(WWRP B08FDP)项目中4个I临近预报参加系统(BJANC,GRAPES-SWIFT,STEPS,CARDS)的1h定量降水预报进行时空尺度分解检验,研究降水预报技巧与降水时空尺度和强度之间的关系。结果表明:尽管目前国际先进的临近预报系统的水平分辨率已高达1～2km,但其有技巧的临近预报能力主要集中于空间尺度大于32km、时间尺度大于1h的降水系统,而对小于这些尺度的降水系统预报能力仍非常有限;在不同时空尺度的临近预报降水误差中,60%以上的误差来自于空间尺度小于8km的降水,85%以上的误差来自于时间尺度小于1h的降水,传统的外推技术不能满足这些较小时空尺度降水预报的需求,要发展有效的预报方法来提高较小时空尺度降水的预报能力。将基于外推的临近预报和基于稠密观测资料、快速更新的数值预报的潜势预报相结合可能是一条有效的解决途径。     

山西省2008—2010年64架次飞机云物理观测结果分析

利用山西省2008—2010年64架次云结构的飞机探测资料,结合地面观测和卫星数据统计分析了层状云系的宏微观特征。结果表明:降水云和非降水云系的微物理特征量,两者存在显著的差异,层状云要达到降水,云的厚度要达到近2000m;粒子尺度分布云粒子有效半径要达到10~14μm,降水性层状云低云含水量垂直方向上平均为0.03g/m3,中云含水量垂直方向上平均为0.05g/m3,;避光高层云-层积云、雨层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上500m附近,其最大值分别为0.61,0.42g/m3;透光高层云降水过冷水的最大值出现在距0℃层高度以上300m附近,其值为0.28g/m3;云中水分按不同粒子尺度的分配可以看出,直径20、30μm的粒子含水量较高,对云中液态水含量的贡献较大,降水粒子主要由20、30μm的粒子转化;降水性层状云在垂直方向上的微物理结构特征非常明显,也是分层的。高层主要是冰相粒子,是冰雪晶,随高度降低冰雪晶的尺度增大,在4个典型温度层的观测中,液态含水量、云粒子及降水的浓度、尺度相较有很大不同。     

小波检验方法在国内业务模式中的最新应用研究进展

本文主要介绍小波检验方法在国内区域业务模式中的最新应用研究进展,该方法被应用于模式降水预报的个例检验和统计检验,并针对两种解决二元域限制问题的技术方案进行阐述和讨论。结果表明：D8小波可以提供一种从不同降水率阈值和空间尺度对模式定量降水预报进行评估的方案,该方案首先对预报场和分析场进行阈值获得二进制误差场,再对二进制误差场进行尺度分解,从而可以评估模式在各个降水率阈值和空间尺度上的预报技巧和偏差。统计检验结果显示模式对较大尺度降水事件表现出较高的预报技巧评分,较小尺度降水事件和强降水的预报技巧评分相对较低,并且总体上呈现出预报降水事件多于观测降水事件的特征。Padding方案和Tiling方案对应的模式统计检验结果并无明显差异,由于后者不对原始降水场做任何改变,因此是一种更为稳健和可靠的方案。     

华北降水时间序列资料的小波分析

利用小波变换时域局部性特点,对华北地区降水时间序列资料作了多时间尺度小波分析.在对华北地区降水100年资料的分析过程中,运用不同的时间尺度分别得到6～7年、21～22年和35～36年的时间周期规律.这些结果为探讨华北地区长期旱涝趋势的可预报性问题提供了重要信息.此外,还对这些特征尺度下的小波分析曲线进行了重构,得到的重构曲线与用原始数据作十年滑动平均所得曲线十分吻合.     

新余市1959-2005年降水多时间尺度特征

应用一维Morlet小波变换分析方法对新余市降水的多时间尺度进行分析,发现新余市降水除在整个时域中有明显的3—5a的周期变化外,其他尺度周期信号的强弱在时-频域中的分布具有很强的局部特征。但无论是较大时间尺度,还是较小时间尺度,新余市年降水、汛期降水均处于偏少期,且近期偏少趋势仍较明显;伏秋季降水则处于偏少末期,有向偏多转化的趋势。     

北极涛动对河南省降水的可能影响

采用连续小波变换和交叉小波变换方法,分析了北极涛动指数和河南省月降水距平序列的时频变化特征,并讨论了近50多年来北极涛动对河南省降水的可能影响。结果表明,北极涛动指数和河南省降水距平序列中都存在着不同时间尺度的周期振荡,且时域中的分布特征和振荡强度也不尽相同;两者之间在6~8 a、12~16 a和25 a以上尺度的周期振荡呈正相关,而在9~11 a和16~24 a尺度上表现为负相关关系。     

EFFECT OF TROPICAL CYCLONE PRECIPITATION ON ALLEVIATING THE DROUGHT SITUATION IN THE SOUTHEAST COASTAL REGIONS OF CHINA DURING SUMMER AND AUTUMN: USING THE IMPROVED OBJECTIVE SYNOPTIC ANALYSIS TECHNIQUE

To quantitatively study the role of tropical cyclone precipitation (TCP) on alleviating the drought in the southeast coastal region of China (SCR) during summer and autumn, the objective synoptic analysis technique (OSAT), improved for consistency and rationality, was used to separate the TCP data on the summers and autumns of 1963–2005 on the basis of daily precipitation data from stations and tropical cyclone best track data. After defining the season drought index, the actual drought distribution and the assumed drought distribution without TCP were acquired. The results showed that within 1 000 km from the southeast coastline of China, TCP accounted for 11.3% of natural precipitation (NP). Without TCP, the drought index in the SCR during summer would have increased from 0.2 to 0.6 or even above 1.0 in some regions whereas the drought index during autumn would have increased from 0.4 to 0.6 or above 1.2 in some regions. The impact of TCP on drought decreases progressively from the southeast coastline to the inland regions. The TCP proportion (TCPP) showed a significant negative correlation with the drought index in many regions of the southeast, and the significant region is wider in autumn than in summer. TCP relieved the drought most significantly within a range of 0–500 km from the southeast coastline. This drought relief showed different characteristics for the interannual variability in summer and autumn, and the cross wavelet transform indicated that the impact of TCP on drought mainly lies in 2–4-year time scales. In particular, there was a significant effect during the summers of 1977–1985 and in the autumns following that of 1985. Therefore, TCP has indeed largely alleviated drought in the SCR during summer and autumn.     

Trends and scales of observed soil moisture variations in China

A new soil moisture dataset from direct gravimetric measurements within the top 50-cm soil layers at 178 soil moisture stations in China covering the period 1981-1998 are used to study the long-term and seasonal trends of soil moisture variations, as well as estimate the temporal and spatial scales of soil moisture for different soil layers. Additional datasets of precipitation and temperature difference between land surface and air (TDSA) are analyzed to gain further insight into the changes of soil moisture. There are increasing trends for the top 10 cm, but decreasing trends for the top 50 cm of soil layers in most regions. Trends in precipitation appear to dominantly influence trends in soil moisture in both cases. Seasonal variation of soil moisture is mainly controlled by precipitation and evaporation, and in some regions can be affected by snow cover in winter. Timescales of soil moisture variation are roughly 1-3 months and increase with soil depth. Further influences of TDSA and precipitation on soil moisture in surface layers, rather than in deeper layers, cause this phenomenon. Seasonal variations of temporal scales for soil moisture are region-dependent and consistent in both layer depths. Spatial scales of soil moisture range from 200-600 km, with topography also having an affect on these. Spatial scales of soil moisture in plains are larger than in mountainous areas. In the former, the spatial scale of soil moisture follows the spatial patterns of precipitation and evaporation, whereas in the latter, the spatial scale is controlled by topography.     

北京“7.21”特大暴雨不同集合预报方案的对比试验

采用6套扰动方案(初值、多物理、3组随机物理和初值与随机物理的混合)对2012年7月21日(“7.21”)北京特大暴雨过程进行了集合降水预报试验,检验了不同方案的集合平均预报、集合区间预报和概率预报较控制预报改进的相对程度,分析了它们对该过程时空不确定性的预报能力、不同扰动方法的离散度贡献以及不同尺度扰动对预报误差的贡献等。结果表明:(1)所有集合方案特别是初值扰动、多物理和混合扰动的集合预报相对控制预报在暴雨强度和位置上都有较显著的改进,并为用户决策提供了包括预报不确定性在内的更多预报信息。(2)3组随机物理产生的集合预报离散度很相似, 都远小于初值扰动和多物理方案产生的离散度, 并且主要集中在强降水中心附近, 因此在初值扰动的基础上加入随机扰动,可以提高强降水中心的离散度, 但对强降水中心以外的地区作用甚微;尺度分析进一步表明随机物理产生的离散度贡献主要集中在较小尺度上(<320 km),在更小的尺度上(<160 km)它甚至可以与初值和多物理扰动的贡献相当,而初值扰动和多物理过程的贡献可以比随机物理过程多延伸400—500 km直到较大的尺度(如>1000 km), 其中多物理过程在较小尺度上(<100 km)可比初值扰动贡献更大, 并且能部分消除预报系统偏差。(3) 所有集合扰动方案所产生的离散度尺度谱都与实际预报误差尺度谱分布一致, 即随空间尺度增大而减小,但在幅度上都小于预报误差(离散度不够大),并且这种差异随着空间尺度的减小而加速增大,在小尺度上相差甚大。     

基于时空不确定性的对流尺度集合预报效果评估检验

针对对流尺度天气系统的高度非线性特征和高分辨率模式预报结果存在时、空不确定性现象,以及当前邻域概率法主要考虑高分辨率预报结果的空间位移误差,而不能有效解决预报结果存在时间超前与滞后问题,将时间因素引入到邻域概率法中,结合一次强飑线过程进行对流尺度集合预报试验,并基于改进后的新型邻域概率法与分数技巧评分,对降水预报进行了不同时、空尺度的效果评估检验。结果表明:（1）邻域集合概率法和概率匹配平均法在极端降水的分数技巧评分远高于传统集合平均,弥补了集合平均对极端降水预报能力偏低的缺陷。（2）对于此类飑线过程的对流尺度天气系统而言,邻域半径为15—45 km的空间尺度能够改善降水位移误差的空间不确定性,并使其预报效果达到最优,其中15—30 km的邻域半径对于尺度更小的大量级降水事件预报能力更强。（3）对流尺度降水预报考虑时间尺度与降水强度存在着对应关系,不同时间尺度可以捕获到不同量级降水的时间不确定性。同时,时间尺度与空间尺度对于降水预报效果的影响是相互关联的。（4）改进的邻域概率法能够同时体现高分辨率模式预报结果在对流尺度降水事件上存在的时、空不确定性,实现了对流尺度降水在时、空尺度上的综合评估,并能为不同量级降水提供与其时、空尺度相匹配的概率预报结果。      

用连续子波变换提取城市冠层大气湍流的相干结构

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流在表面上看来不规则运动中具有可检测的有序运动,这种相干结构在切变湍流的脉动生成和发展中起着主宰作用.因此识别和提取相干结构对于认识和研究湍流是非常重要的.用数字滤波法将包含相干结构的大尺度信号提取出来以后,再用子波分析,根据子波能量极大值的判别方法,分别确定出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构的频率或时间尺度,然后由确定尺度上的连续子波反演公式,提取出大气湍流三个方向上的速度脉动信号相干结构所对应的波形.     

三明市汛期中尺度降水的若干特征

利用 1980～ 1998年三明市 11个站 5～ 6月 16 2个暴雨日的逐时降水资料 ,分析了汛期暴雨日雨团和强雨团的时空分布、移动规律、降水过程与影响系统以及地形的作用等 ,揭示出该市汛期中尺度降水的若干特征和活动规律     

中国中东部区域TRMM降水产品降尺度研究及其时空特征分析

该研究以中国中东部区域(17°～50°N,98°～135°E)为研究范围,在前人研究基础上,根据水汽与降水之间的关系,基于MOD05水汽产品,采用偏最小二乘法,对中国中东部区域2001—2010年10 a平均TRMM3B43_V 7月降水产品进行降尺度,旨在得到空间分辨率为1 km×1 km的月降水空间分布。通过比较分析,发现该降尺度模型能大幅提高TRMM产品空间分辨率,估算结果平均相对误差为15.35%,与地面观测较接近,能体现中国中东部区域降水宏观分布趋势,且估算结果精度高于前人基于归一化植被指数(NDVI)的降尺度模型,能满足降水产品的精细化需求。     

全球气候模式对中国降水分布时空特征的评估和预估

使用观测和多模式集合平均的降水资料,评估全球气候模式对中国降水时空分布特征的模拟能力,并给出21世纪的预估。结果表明：全球气候模式在一定程度上能够再现中国地区降水的分布型,也能模拟出降水的区域性差异。对年降水10年、20年尺度上的周期变化模拟效果较好。21世纪SRES A1B情景下中国年及夏季降水主要模态以全国一致型为主,2045年前后由少雨型转为多雨型;冬季降水为少雨型与多雨型交替出现。