基于慢特征分析的哈尔滨市气温预测研究

慢特征分析方法(Slow Feature Analysis, SFA)是从已知的非平稳时间序列中提取缓变信息的有效方法。本文首先通过Logistic非平稳时间序列模型对SFA方法提取慢特征信息的能力进行了检验,然后以哈尔滨市为黑龙江省代表站,对月气温距平序列进行慢特征信号提取及预测研究。结果表明：慢特征分析方法可以有效地提取哈尔滨市气温距平序列中的慢特征信号。提取的慢特征信号能够反映原序列的变化趋势、极值等信息。拟合和预测试验表明,与平稳性模型相比,引入SFA信号后的气温预测模型可以在一定程度上提高预测能力,改善预测效果。对近48个月独立样本预测也得到相同结论。     

利用慢特征分析法提取二维非平稳系统中的外强迫特征

慢特征分析法（Slow Feature Analysis,SFA）是一个从快变的信号中提取慢变特征的有效方法,它的提出丰富了人们对非平稳系统外强迫特征的重建手段。本文以Henon映射为基础,构造二维非平稳系统模型,尝试SFA方法在二维复杂非平稳系统中重建外强迫特征的能力。试验表明,SFA方法能够较好地从单时变参数Henon映射中提取出外强迫信号;通过结合小波变换技术,可以还原双时变参数Henon映射中的外强迫信号。另外,本文利用SFA方法重建了北京市气温的外强迫信号,分析其外强迫信号的尺度特征及其可能的物理机制。这些工作将为气候系统驱动力的研究提供新的思路。     

基于慢特征分析方法研究陆地表面气温变率的驱动力

慢特征分析（SFA）方法可以从非平稳时间序列中提取出慢变的外强迫信息。近年来,SFA方法被应用于气候变化研究领域,用于探究气候变化的潜在驱动力及相关的动力学机制。本文基于SFA方法,提取全球陆地表面气温（LSAT）的慢变外强迫信息,研究全球LSAT慢变驱动力的空间结构特征及低频变率的主要驱动因子。SFA方法提取的LSAT慢变驱动力与历史时期全球辐射强迫（GRF）和全球海表温度（SST）的主模态（大西洋多年代际振荡AMO、热带太平洋ENSO变率和太平洋年代际振荡PDO）有显著的相关关系,表明全球大部分地区LSAT的变率受到GRF和三个SST模态的显著影响。GRF对LSAT变率的影响有全球一致性的特征,而三个SST模态对LSAT变率的影响则呈现出明显的区域特点。此外,由于SFA方法可以有效降低原始LSAT序列中随机噪声的干扰,GRF和SST模态对LSAT变率的解释方差显著提高,进一步表明GRF和SST模态是全球LSAT低频变率主要的驱动因子。最后,利用历史海温驱动AGCM试验（即AMIP试验）的结果,验证了三个SST模态对区域LSAT变率的显著影响。     

慢特征分析法在气象上的应用进展

气候系统具有非平稳特征,根本原因在于其外强迫随时间发生改变,因此外部驱动力的分析对于理解气候系统的动力学特征至关重要,而如何有效提取系统外部驱动信息是一个亟待解决的前沿科学问题。最近几年,在生物神经学领域中应用的一种提取非平稳信号中外强迫信息的方法——慢特征分析法(Slow Feature Analysis,SFA),在气象领域中也得到了初步成功的尝试,结果显示出此方法对气候系统的外强迫信息分析及有关动力学机制的探究有较好的应用前景。本文主要介绍SFA方法的理论思想及实施步骤,并通过一个理想的非平稳时间序列检验其提取外强迫信息的能力,结果证明在衰减的Logistic模型中,可利用SFA算法提取出模型中的外强迫,且与真实外强迫的相关系数可达0.99;此外,还介绍将该方法应用于Arosa臭氧时间序列,分析其提取的外强迫信息的动力学特征;并介绍了在气候时间序列建模中引入外强迫因子的预测效果。     

包含外强迫因子的平潭旬降水量预测

降水量是重要的预报要素之一,长期的降水预测更是能提前预测旱涝分布情况,为国民经济规划提供依据。但目前为止,长期的降水预测仍缺少客观的预报方法。为此,尝试利用非线性预测模型来预测旬降水量,并将该模型应用于福建平潭,分别用与原始数据的差值、与原始数据的相关系数、均方根误差,以及符号显著性检验方法,讨论了包含外强迫因子的平稳性模型与不包含外强迫因子的非线性模型的预测能力,结果表明:包含外强迫因子的模型第一步预测结果与原始观测数据的相关系数为0.73,不包含外强迫因子的模型第一步预测结果与原始观测数据的相关系数则为0.47。无论是从与原始数据的差值及相关系数,还是均方根误差等方面,外强迫模型都是优于平稳性模型,并且通过符号检验方法可看出两种模型存在差异性,这也说明加入外强迫因子可以有效地提高预测技巧,外强迫因子与状态变量在预测中扮演同等重要的角色。     

江西省主汛期连续暴雨的气候特征分析

利用1960～2000年共41a资料,对我省主汛期(5月30日～汛期结束)连续暴雨过程的气候特征进行了分析,从而为做好我省汛期连续暴雨的预报服务提供了较好的气候背景信息。     

基于复杂性的生态系统可持续演化特征分析

介绍复杂性理论、阐明地球生态系统的复杂巨系统特点,以水资源演化为例,说明其状态、过程、变换之间关系是错综复杂的.认为可持续发展是以人为本包括自然和社会要素的复杂巨系统问题,生态资源与环境灾害是人类与生态系统关系的正、反两态.引入复杂性理论,为人类摆脱资源、环境、生态困境提供一种科学思维方式：非线性思考问题;从单一性向系统性转变,用系统科学分析问题;从单纯追求经济效益向追求社会等综合效益的转变,并使其最大,利于走向可持续发展的轨道.     

地面气象观测缺测记录替代方法的误差特征分析

以2014年南京、吕泗、淮安三个国家基准气候站的地面气象观测资料,统计分析了不同气象要素采用不同的记录替代方法时产生误差的特征。一般地,用自动站临近正点的分钟数据代替的方法要优于其它方法,越靠近正点的资料误差越小;备份站的资料同现用站相比,存在明显的系统误差,记录代替时宜作订正;为保证气象资料序列的均一性,建议在数据代替时,动态地选择误差较小的代替方法。     

2004年初夏一次云南暴雨过程的中尺度系统及其水汽特征分析研究

利用NCEP再分析资料、地面加密降水资料和风云-2卫星红外云图,对2004年云南初夏的一次强降水过程的大尺度环流背景、中尺度系统和水汽输送特征及来源情况进行了较为详尽的分析研究。结果表明:(1) 高低空环流的有利配置、印缅槽与东亚冷槽的相互作用,为此次云南地区暴雨的产生提供了有利条件;(2) 暴雨至少与四个连续生消的对流云团活动直接相关,强降水落区与云南的地形特征相关不大,只与低层辐合线有很好的一致性,而辐合线的发展演变与冷暖空气的势力对比相关;(3) 对降水区三维结构的分析表明,中尺度对流系统强烈发展区的低层为强辐合、正相对涡度,高层为辐散、负相对涡度;中低层有较强的上升运动,低层湿度较大、有不稳定能量的蓄积和释放;(4) 对云南水汽输送分析表明,直接影响此次云南强降水的水汽输送主要来源于孟加拉湾,并且引起此次云南强降水的水汽辐合是由风场辐合引起的,而水汽平流在这一地区为弱的干平流;同时,在较强的西南气流下,水汽辐合可存在于较高的气压层。      

青藏高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的特征分析

利用1980年到1990年和1998年讯期共13个暴雨个例,反演高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的具体形式.经等压面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的一些主要特征.结果表明:大气内部压能场与流场非平衡强迫既是高原天气系统和背风坡浅薄天气系统发生、发展和东移的动力机制,又是这两类系统耦合相互作用的动力条件.涡度局地变化率的正值区对两类系统的移动有动力牵引作用.经、纬向环流剖面,揭示了两类系统耦合相互作用的前期征兆、开始和结束标志、能量、水汽条件等.两类系统耦合相互作用的结果将导致耦合相互作用的区域产生暴雨等强烈系统耦合相互作用的概念模式.     

台风“莫拉克”(0908)过台湾岛缓慢西行成因分析

0908号台风"莫拉克"（Morakot）在台湾岛引发了24 h超过1000 mm的强烈降水,与其缓慢西行过岛密切相关。本文利用NCEP-GFS实时分析场资料（0.5°×0.5°）、中央气象局台风资料库关于我国台湾地面气压场资料和中尺度数值模式WRF模拟结果,分析了台风Morakot在台湾岛附近缓慢西行成因。结果表明:（1）西太平洋副热带高压减弱东退、与台风"天鹅"（Goni,0907）的"藤原效应"是Morakot在台湾岛附近移速减慢的环境因素,而台风结构变化也是其缓慢过岛西行的一个主要原因;（2）台风过岛过程中,由于地形作用,Morakot环流内诱生低压活跃,先后或同时出现在岛屿东西两侧,使台风环流出现非对称松散结构;（3）在台湾岛西侧诱生低压中心取代东侧原台风中心形成不连续路径过程中,台风经历了低层环流从分裂到重组,正垂直涡度柱从垂直到倾斜再恢复垂直的变化过程,这是Morakot过台湾岛缓慢西行的一个重要原因;（4）Morakot西行登岛过程中环境引导气流主要是偏南气流,而包含诱生低压的扰动引导气流则为偏东气流。扰动引导气流虽是小量,但其纬向分量占环境引导气流纬向分量的比率从7%增至26%,较好地指示了Morakot的西行趋势,也说明地形诱生低压导致的台风结构变化是其过岛西行和缓慢移动的一个重要原因。     

2002年6～7月安阳市连续性高温天气过程分析

利用1970～2000年安阳市高温天气资料和实时资料，分析了安阳市2000年6～7月两次区域性连续高温天气的天气形势、地面要素特征、地形影响及高温天气变化周期，揭示了高温天气的成因，找出了预报着眼点。     

基于最大类间方差算法的雨滴特征提取研究

为了获得雨滴粒子的特征值,采用阈值处理方法对雨滴粒子及其背景图像进行分割,将复杂的雨滴图转化为只有雨滴粒子真实边界的二值图像,通过均值算法标记雨滴粒子质心位置,利用雨滴长轴信息建立雨滴粒子形状模型,结合全局阈值处理中最大类间方差法和局部阈值法,提出一种基于最大类间方差的雨滴特征值检测方法。试验结果表明该方法能够有效地从图像数据中提取雨滴粒子特征值,粒子数目和雨滴形状是测量降雨强度信息不可或缺的参数。     

2010年春季陕西中南部一次暴雪和雷暴天气的触发条件及中尺度分析

本文利用常规气象观测资料和数值预报产品以及卫星云图等,对2010年9月17日一21日山西北中部连阴雨天气过程进行了综合分析找出了一些预报指标,为做好秋季连阴雨天气的预报提供参考。     

基于地理信息系统技术的土壤质地分类特征提取与数据融合

根据不同来源不同比例尺的土壤质地分布图资料(比例尺为1∶1400万,范围为中国境内)、土壤发生学分类的土壤类型分布图资料(比例尺为1∶400万,范围为中国境内)以及土壤诊断学分类的土壤类型分布图资料(比例尺为1∶500万,范围为(5～65°N,60～150°E)提取其相同的特征,借助于地理信息系统(GIS)技术,将几份土壤分类资料进行数据融合、转换得到可供集成沙尘天气数值预报系统中风沙模式使用,且符合美国农业部(USDA)土壤质地分类标准的资料.