一种改进的频率匹配法在网格降水预报订正中的应用

为提高精细化网格降水的实际预报能力,评估了2021年汛期ECMWF(EC)、CMA-MESO、SXWRF和SCMOC降水预报产品在陕西的表现,讨论了卡尔曼动态频率匹配方法对不同模式的订正效果,然后针对该方法不足,基于最优TS评分阈值法和SCMOC在天气过程判定中占优信息对小量级降水进行了二次订正,最后利用分类降水过程建模和基于图像相似识别技术改进的卡尔曼动态频率匹配法对暴雨进行了订正研究。结果表明:SCMOC晴雨预报准确率和暴雨TS评分均最高,分别为81.60%和0.30,表现最好;卡尔曼动态频率匹配法可明显提高EC、CMA-MESO和SXWRF模式降水预报产品晴雨预报准确率,对暴雨预报的改善效果不稳定,对EC晴雨预报准确率和暴雨TS评分提升幅度均最大,分别为6.35%和6.99%,该订正方法更适合于EC模式;经晴雨消空二次订正后的EC模式晴雨和小雨预报准确率较一次订正后的EC模式均有提高,分别提高了0.51%和0.64%;分类降水过程建模订正可进一步提高EC暴雨TS评分,较未分类过程订正后的暴雨TS评分提高了1.05%,且暴雨其他评分指标也均变好;改进后的卡尔曼动态频率匹配法较改进前...     

集成学习和动态融合算法在福建省短时强降水预报中的应用

为了提高短时强降水预报准确性,在2019—2020年4—9月福建省逐时降水实况观测资料与中国气象局广东快速更新同化数值预报系统(CMA-GD)模式预报产品的基础上,应用LightGBM集成学习算法框架,建立以30 mm·h^-1为阈值的逐时降水预报模型。通过特征处理、自助聚合及超参数搜索等技术对模型进行优化,结合AUC、AUPR与传统分类指标,设计了包括业务模拟测试在内的多项试验,通过对比各建模方案验证了模型对于较长时效的短时强降水预报的适用性。结果表明:模式预报本身的命中率和空报率均较高,各建模方案具有不同程度的改善作用。自助聚合可以增强模型预测稳定性,轻微不平衡子训练集能降低模型预测空报率而取得更高的综合评分,在验证集中最佳TS评分可达17.5%;对分类信息增益贡献最大的特征变量为K指数,其次为500 hPa露点温度和时间参数特征;试验指标从优到劣依次为:随机交叉验证、小时划分的随机交叉验证、业务模拟测试,可见模型有效性主要来自相同或相邻时刻的样本信息;设计基于逻辑回归的异质模型动态融合方案以改善静态同质模型表现,各项指标均有小幅提升,在命中率接近50%时削减空...     

基于支持向量机的双偏振雷达对流降水类型识别方法研究

利用基于T矩阵法建立的降水粒子雷达探测模型,建立了基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的雷达降水类型识别模型。通过样本数据归一化预处理,并考虑到样本集中各偏振参量间是非线性的,择优选径向基核函数作为非线性支持向量机的核函数,采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)获取最优核函数参数C和γ,使模型达到较高分类预测准确率。建立的SVM雷达降水类型识别模型,在各仰角的预测准确率于X波段可达80%以上,于S波段可达95%左右。进一步分析发现,当多波长下预测降水类型相同时,分类预测结果准确率可达97.3%,而错误的概率仅为2.7%。可见,所建立的SVM雷达降水类型识别模型,有效提高了雷达对流天气下降水类型的识别能力。     

基于多种算法优化SVM模型的 乌东德水电站降水量预报

基于粒子群优化(PSO)算法和遗传算法(GA)对支持向量机(SVM)的核函数及主要参数进行训练优化,分别建立PSO算法、GA的支持向量机模型(PSO_SVM、GA_SVM)。选用ECMWF及T639数值预报产品资料和乌东德水电站降水资料,普查最优预报因子,构建包含各种类型降水过程的训练样本和测试样本。比较分析SVM模型RBF和Sigmoid核函数优劣。尝试先分段寻找局部最优,再选择全局最优的参数优化方法。通过增大训练样本集、降低交叉验证准确率、迭代次数截断和控制惩罚系数范围的方法,提高模型的稳定性和泛化能力,防止过拟合和收敛缓慢现象。利用测试样本对SVM、PSO_SVM和GA_SVM三种方案进行对比检验,优化的GA_SVM预报效果较好且稳定。经2018年试报表明,GA_SVM逐3 h累计降水量预报TS评分在50%以上,漏报率在15%以下,与ECMWF和T639比较,该模型TS评分提高1. 4%。     

两种机器学习方法在重庆夏季旱涝预测中的应用

利用1961—2010年重庆34个气象观测站夏季降水资料及国家气候中心130项环流指数,采用机器学习的决策树和随机森林方法建立重庆夏季旱涝预测模型,通过2011—2018年预测效果检验发现,夏季同期环流指数决策树模型和前冬海温指数决策树模型预测的8 a降水异常趋势均正确,比考虑单一指数的PC评分分别提高37.5%和12.5%。此外,用随机森林模型预测重庆2014—2018年的夏季降水,5 a平均PS、CC和PC评分分别是84.6、0.27和67.1,相比于业务发布预报质量均有明显提高,且随机森林的预测质量较为稳定。     

宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄采收期降水客观预测方法研究

利用1972—2016年宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区气象资料及全球大气环流及海冰、海温资料,开展酿酒葡萄采收期降水及降水过程预测研究,并采用距平符号一致率对预测结果进行评估。结果表明:利用200 h Pa位势高度场、海温、海冰等预测因子建立的宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄采收期降水预测模型距平符号一致率为67%,尤其降水空间分布一致偏多或偏少年份距平符号一致率达86%以上。进一步建立候尺度降水过程预测模型,其降水过程预测准确率为54. 2%,空报率为32. 3%,漏报率为13. 5%。     

基于雷达资料的定量降水预报外推算法试验

摘要：目前贵州在短时临近降水预报客观算法方面研究匮乏，而短时强降水常常给贵州造成严重的洪涝灾害和地质灾害。将短时临近降水预报应用于气象防灾减灾、电网输电线路安全预警、水利防洪自动化方面是未来重要的研究应用方向。本文基于灾害天气短时临近系统（Severe Weather Automatic Nowcast System，SWAN）的定量降水预报(QPF)产品进行0～2小时QPF外推试验研究。利用贵州省地面自动站数据、SWAN 输出的1h-QPF产品、SWAN 1h定量降水估测(QPE)产品。选取2018年3次典型暴雨个例进行试验，采用融合订正技术，利用相似离度算法对降水强度位相进行调整、Weibull分布算法对降水极值分布进行订正、改进后的交叉相关法(Improved Cross-correlation Extrapolation Method，COTREC)进行降水外推预报。通过主客观检验对比，初步说明基于Weibull分布算法的降水极值订正对降水极值分布有很好的模拟效果。融合订正外推的贵州省短时临近定量降水预报产品（Nowcasting precipitation forecast of GuiZhou，下文简写为GZ_NPF）在大于5mm以上量级降水的TS检验中评分更高。GZ_NPF的空报率明显降低，但空报率降低的代价是漏报率相对提高。GZ_NPF总的相对误差减小，格点总降水量与实况总降水量更为接近。试验说明新的融合订正外推算法提高了0～2h短时临近降水的预报能力。     

基于支持向量机模式识别的大雾预报方法

选取1971～2000年11～12月大雾发生前近地面层的气象要素(气温、降水、能见度、风向风速、相对湿度、云量等9个预报因子),将支持向量机(SVM)方法应用于大雾预报.采用支持向量机方法,应用径向基函数,建立了陕西公路站点大雾24 h预报模型,并进行了大雾预报的模拟、训练,其寻优标准TS评分达到了理想的效果.     

陕西中短期网格客观预报降水产品在西安地区的检验

基于2017—2020年6—9月陕西中短期网格客观预报产品（简称DCOEF）的降水产品,采用晴雨预报准确率、TS评分、预报偏差BIAS,对其在西安地区21个气象观测站的预报效果进行检验;同时采用第99%分位值的降水量值作为测站极端降水量的阈值,进一步了解DCOEF对极端降水的预报效果。结果表明,（1）DCOEF在西安地区逐年和逐月的晴雨预报准确率均在069以上,空间分布上在西安城区、高陵、阎良、临潼和灞桥地区的晴雨预报准确率普遍在075以上,具有较好的参考价值。（2）6—9月中,9月的晴雨预报准确率可达08,各量级的TS评分明显高于其他月份,且BIAS接近于1,预报效果最好。（3）随着降水量级的增加,TS评分明显下降,小雨的TS评分最高,且时间和空间差异小;暴雨TS评分时间和空间差异明显,除9月外整体评分较低,且空报率明显偏高。（4）DCOEF对西安区域平均降水量雨带分布和强降水中心位置分布预报与实况差别较大,但能较好地反映出区域降水的时间演变趋势,与实况较为接近,只是在降水量上存在一定的偏差,预报值较实况以偏大为主。（5）DCOEF对极端降水的预报缺乏稳定性,偏差大,尤其是对短时强降水所造成的极端降水事件预报能力弱。     

基于ECMWF产品福建省前汛期短时强降水预报方法

利用2014—2016年福建省1605个自动气象站逐时降水资料和ECMWF全球模式细网格预报产品,分析福建省前汛期短时强降水发生背景下模式预报物理量的分布特征,并基于阈值判定的方法建立短时强降水预报模型。结果表明:福建省内陆县市前汛期短时强降水发生频次较高,沿海县市发生频次低,且日变化特征表现出双峰结构。箱型图差异指数（I_bd）在评估相关变量对于区分短时强降水发生与否的敏感程度有较好的作用,比湿、整层可降水量等水汽变量I_bd最为显著,K指数、对流有效位能等变量的I_bd仅次于水汽变量,说明模式预报变量对于预测短时强降水有较好的表征作用。针对短时强降水事件的物理量集合,采用剔除异常值后的最小值作为判定阈值,通过训练集分析结果客观订正对流有效位能和3 h降水量两个高I_bd变量的阈值,建立潜势预报模型。对于福建省西部的关键区,检验集白天时段12 h时间分辨率预报TS评分可达0.5,夜间时段约为0.3。对于福建省进行分区建模预报,检验集预报结果显示白天时段比夜间准确率高、内陆县市比沿海县市准确率高。     

支持向量机在雷雨天气预报中的应用

支持向量机(SVM)是一种新型的机器学习方法。利用1999-2003年7月清远站每天08:00的探空资料,建立广州白云机场24 h内有无雷雨的SVM分类模型,进行相应的预报实验,实验结果显示对应的SVM分类模型效率高、准确率高,且泛化能力强,预报Ts评分非常理想,都达到80%以上;结果准确率并不会因为训练样本数目的减少而大幅度降低,具有良好的预报能力。对于某个特定的核函数,可通过调整误差惩罚参数C来得到性能最优的SVM。     

2004年汛期(5～9月)主客观降水预报检验

随着气象事业的发展，天气预报的质量越来越依赖于数值预报产品的性能。预报产品检验是评价预报质量和提高预报水平的有效手段。针对2004年汛期（5～9月）中央气象台预报员及T213、HLAFS25、MM5、GRAPES、日本及德国等国内外数值预报模式短期时效的降水预报做了详细的统计学检验。检验结果表明，对于汛期平均而言，各模式与预报员的小雨预报较好，随降水量级的增加TS评分迅速下降，国内外数值预报模式之间降水预报水平差别不大，预报员与模式相比水平略高；但对于过程预报而言，过程不同，各模式和预报员的表现不同，预报员和MM5对河南暴雨预报较好；GRAPES和日本模式对台风暴雨预报略好；T213对于四川东部暴雨的大量级降水预报较好；无论是预报员，还是数值预报模式，北京暴雨的预报是一个典型的失败个例。同时，我们也发现检验系统存在一些问题，有待今后逐步改进。     

SWCWARMS 模式对巴中地区预报能力的检验

应用巴中地区218个自动气象观测站2016年6～8月逐日的24h累积雨量,采取基于客观统计的检验方法,针对24h累积雨量,采取TS评分、BIAS评分和空报率对比分析了 SWCWARMS 模式和 EC 细网格模式在巴中地区的预报能力。研究结果表明:(1)从降水落区来看,两个模式都对雨带的移动都有较好的预报能力;(2)从降水 TS 评分看,SWCWARMS模式在各量级上的 TS 评分都优于 EC 模式;(3)从降水 BIAS 评分看,EC 模式容易漏报中雨及以上量级的降水,而 SWCWARMS 模式则对大暴雨的预报有较大的空报;(4)从逐月评估结果看,6月和7月SWCWARMS 模式较EC模式有更好的预报效果,8月两者差异不大。总体而言,SWCWARMS 模式在巴中地区的预报效果优于 EC 模式。      

MOS方法在短时要素预报中的应用与检验

通过对MM5数值预报产品的释用,将MOS统计方法应用到短时要素预报中,综合利用MM5数值预报产品、自动站实况数据和雷达数据等资料,建立降水和温度的4 h预报模型;降水作为不连续变量,将其通过建立降水可能函数的方法转化为连续变量,利用统计预报方法,可以达到定量预报的目的。通过对4140个时次的样本进行检验。结果表明：MOS预报结果较MM5直接输出结果整体有所改进,当数值模式误差较大时,统计方法显示出一定的优势;降水预报检验结果显示,TS评分为65%,预报正确率PC为91%。降水明显的样本(3 h雨量>5 mm)平均误差在8 mm以内,弱降水样本(3 h雨量<3 mm)平均误差在1 mm以内,预报方程对非雨日样本的整体预报效果较好,优于MM5模式预报,预报正确率高达98%,但对流性降水仍是预报难点;对于温度预报,20-08时段误差较小、平均在1.0℃以内,而11-17时、误差平均在1.5℃左右,但经过误差的季节订正,可以控制在1.0℃左右。     

基于多种模型的云南元江哈尼云海景观预报研究

为推动区域旅游事业发展,满足旅游气象服务需求,研究针对云南元江哈尼云海景观进行了立体气象观测和业务预报实验。本研究基于云南元江云海气候站2016—2019年观测数据,利用经验预报法、Logistics回归、支持向量机、决策树分析等方法,进行了云海景观出现与否的二分类预报实验。结果表明：各预报方法间训练样本总体准确率在74.3%—82.2%之间差别不大,但传统经验预报基于云海机理研究背景,预报指标物理意义明确,随着预报经验的积累经验预报2019年TS评分为54.8,优于2016—2018年TS评分46.0,也优于仅使用局地数据的统计学习算法的预报评分,且其他几种统计学习预报方法的检验样本TS评分均不如训练样本评分高。云海景观出现需要水汽条件和大气静稳条件的配合,局地云海气象观测站建设收集的立体气候数据有利于预报人员改进预报指标体系,提高预报准确率,有利于提升区域旅游气象服务能力发展。     

基于三大全球集合预报系统对内蒙古降水预报能力评估

利用ECMWF、NCEP和CMC中心的1~3天7种降水集合预报产品,同时结合内蒙古119个气象站同期降水观测资料,对降水预报效果基于晴雨、降水等级划分(包括小雨、中雨、大雨以及暴雨)确定性TS评分以及空间分布特点进行了归纳总结,评估了三大全球集合预报系统在内蒙古地区的降水预报能力,为进一步开发模式预报及应用提供技术支撑。研究结果表明,ECMWF集合预报产品对内蒙古降水预报能力明显优于NEPC和CMC中心的产品。ECMWF集合预报产品24h时效下的晴雨及小雨、中雨、大雨以及暴雨预报都具有良好的预报能力,但是随着预报时效的延长至48h、72h,ECMWF集合预报产品预报能力明显降低,预报能力与NCEP和CMC中心的产品接近。24h的ECMWF集合预报产品在呼伦贝尔市、兴安盟、锡林郭勒盟、巴彦淖尔市西部、阿拉善盟地区预报效果明显较好,三大集合预报系统对内蒙古东部地区的预报能力总体偏高。      

基于CNN和RF算法的ECMWF降水分级订正预报方法

利用卷积神经网络(CNN)和随机森林回归模型,提出了一种新的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)降水订正预报方法.该方法首先根据ECMWF模式对站点雨量预报值所属的等级进行划分,再计算出不同等级相对应的高相关因子矩阵.进一步利用CNN模型对高相关矩阵进行综合特征提取的学习和训练.最后对CNN模型最终输出的特征因子中,选取...     

2010年国内外3种数值预报在东北地区的预报检验

对中国国家气象中心T639数值预报、德国降水预报和欧洲中心（ECMWF）数值预报中对中国东北地区的降水、温度和环流模式的预报结果,分别进行检验。结果表明：降水预报中,德国降水预报对中国东北地区的晴雨预报、一般性降水预报效果较好,但T639数值预报的漏报率明显低于德国降水预报,而T639数值预报中24-120 h暴雨预报的TS评分明显高于德国降水预报。温度预报中,T639数值预报对中国东北地区温度预报72 h内基本可用;欧洲中心（ECMWF）数值预报在96 h内效果较好。对于24 h的温度预报准确率,T639数值预报稍高于ECMWF数值预报结果。环流模式方面：48h内T639预报效果好于ECMWF,72 h以后ECMWF预报效果好于T639。     

基于ECMWF细网格模式产品的湿螺旋度在四川盆地强降水预报的应用试验

利用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)高分辨率预报场(0.25°×0.25°)资料以及四川省加密自动站降水量资料对2011年汛期7—9月和2012年5—7月共计20例强降水个例进行湿螺旋度指标的统计分析,分别归纳总结出6和24 h内强降水发生发展及落区分布的判据指标。利用这些判据指标对2012年8月30日至9月1日及9月8日发生在四川盆地的两例强降水过程及2013年汛期6—8月暴雨个例进行检验并在汛期投入了业务预报工作。检验结果表明:低层700或850 hPa湿螺旋度正值区的分布对强降水落区分布指示较好;当强降水发生时,24 h时效预报的24~48 h 3 h间隔预报场湿螺旋度数量值超过了指标值并持续了2个时次以上,达到了强降水发生的要求;零场预报的0~24 h及12 h时效预报的12~36 h间隔3 h预报场任一时刻湿螺旋度数量值达到了6 h指标判据值,对其后6 h的暴雨落区有较好的指示作用,可作为短时临近预报的业务参考;湿螺旋度订正预报暴雨发生的TS评分远高于ECMWF模式,预报效果好。     

一种基于可预报性的暴雨预报评分新方法Ⅱ:暴雨检验评分模型及评估试验

针对当前暴雨预报检验采用二分类事件检验方法存在较严重的“空报”“漏报”双重惩罚,没有考虑暴雨时空分布不均和预报评分可比性不够等问题,在分析预报员对暴雨预报评分期望值基础上,设计了一种基于可预报性的暴雨预报检验评分新方法和计算模型,分析了理想评分,并对2015-2016年4-10月中国中央气象台5 km×5 km定量降水格点预报和降水落区等级暴雨预报进行评分试验,获得了以下结果和结论:（1）预报员对暴雨预报评分期望值呈现梯级下降特征,与传统的TS评分存在显著差异;（2）设计了一种基于可预报性的暴雨预报检验新方法,通过引入e指数函数构建暴雨预报评分基函数,进而构建暴雨评分模型,该模型可以较好地拟合预报员对暴雨预报评分的期望值,同时改善了评分在不同量级阈值处的断崖式突变情况;（3）提出了预报与观测的邻域匹配方法,即一个预报点与所定义邻域中的一组观测相匹配,并利用距离加权最大值法确定暴雨评分值权重系数,预报与观测距离越近,距离权重系数越大,评分值权重越大,提高了评分的合理性,避免了距离较远的匹配站点得高分不利于鼓励预报员提高预报精度的问题;（4）对中国中央气象台逐日5 km×5 km水平分辨率的定量降水格点预报产品和中央气象台定量降水落区等级预报产品进行了评分试验,暴雨预报准确率全国平均值大于60分。基于可预报性的暴雨预报检验新评分与传统暴雨预报TS评分逐日演变特征相似,但可以较好地解析TS为0的预报评分,解析后的新评分与预报员和公众的心理预期更为接近。