台山单站降水的多尺度振荡特征

应用功率谱、Morlet小波变换和Butterworth带通滤波处理等方法,对1954—2018年台山站的年降水序列和逐日降水序列数据进行多尺度振荡特征分析。研究表明:台山站年降水量存在11～13、准4、准25年的周期振荡,前汛期降水量存在准13、2～5年的周期振荡,后汛期降水量存在7～8、准20、3～4、准11年的周期振荡。台山站逐日降水振荡基本表现为天气尺度振荡、准单周振荡、准双周振荡、季节内振荡和季节变化振荡等5种尺度,季节内及以下尺度振荡强度相当,季节变化振荡强度较弱。5种时间尺度的标准差,天气尺度最大,季节变化尺度最小,除季节变化振荡外均呈现出周期性循环特征。在汛期雨量偏少年,逐日降水较易呈现出准单周振荡和天气尺度振荡,而汛期雨量偏多年较易呈现出准双周振荡。     

新会单站降水的多尺度振荡特征

利用新会国家站1957—2014年逐日降水数据,通过功率谱分析、Morlet小波变换对新会单站年降水、年内逐日降水进行周期分析,使用Butterworth带通滤波对年内各尺度降水振荡进行滤波分析,并对汛期少雨年景与汛期降水正常年景的降水周期对比分析。分析表明:新会单站降水在多个尺度上表现有明显周期振荡特征,其中年降水在整个分析时段内并不存在稳定周期,以阶段性周期递增演变为主;年内逐日降水周期基本表现为5 d及以下天气尺度振荡、准单周振荡、准双周振荡、季节内振荡和季节振荡等5种尺度。在少雨汛期,逐日降水振荡趋向短周期、高频率,而正常降水汛期则在低频振荡表现更明显。     

1998年夏季中国降水多尺度振荡特征的区域气候模拟

利用RegCM3对1998年东亚夏季胍气候进行了季节尺度模拟,并利用小波分解方法对比分析了模式对中国各气候区夏季降水多尺度振荡的模拟能力。结果表明：模式能基本准确模拟1998年夏季中国各气候区逐月平均降水的分布和中国东部雨带推进过程,但模拟和观测的逐日降水演变存在明显区别。模式对各气候区低频降水的模拟准确率一般都是最高的,降水模拟误差主要是由模式对其他各周期分量降水振荡模拟误差造成的,一般对降水高频振荡模拟误差都比较大。各区域降水分别存在主振荡类型,模式对1998年夏季华南地区降水主振荡（低频和8d周期振荡）和长江中下游地区降水主振荡（4d周期振荡）模拟较好是这两个地区降水模拟准确率较高的主要原因。     

广东汛期降水的多尺度特征

１　引　言　　以前的研究工作表明,华南汛期降水存在准３年周期振荡［１～２］,近几十年存在几次干湿相间的阶段性变化［３］。显然这两者之间的时间尺度并不匹配,那么降水是否存在更长时间的周期振荡？如果有,这些振荡与阶段性变化之间有何联系？本文利用广东序列较长的３４个站点降水资料（１９５１～１９９７年）,采用小波分析等统计方法,探讨有关这方面的问题。２　资料和方法　　用３４站平均降水量代表广东降水量。本文对４年以下的周期振荡不再重复研究,故不用月资料,而分别用前汛期（４～６月）,后汛期（７～９月）以及整…     

一类降水过程多尺度天气系统结构特征

对2010-2013年弱冷空气影响造成降雨过程,采用统计分析和典型个例分析相结合方法,分析了降水过程中大、中、小尺度天气系统的结构特征。结果发现：（1）不同尺度天气系统一般都具有明显的结构特征,天气系统结构的配置与降雨强度存在对应关系;（2）在A类天气形势下,斜云带更有利强降雨的产生,横云带的降雨强度相对较弱,逗点云系容易产生较强降雨;（3）弱冷空气影响过程中,在地面通常有中尺度负变压区形成,对流主要发生在中尺度负变压区内,以线状对流为常见;（4）约有半数以上的强、中降雨过程有低空急流出现,但也有低空急流出现并无强降雨现象,低空急流与降雨强度呈弱相关的统计关系。     

昆仑山北部夏季降水多尺度时空变化特征

选用昆仑山北部2016—2020年6—8月14个国家气象站、240个加密区域自动气象站逐小时降水资料,针对“季-月-日-时”时间尺度,以沿海拔高度梯次下降划分的高山区、中山区、低山区和平原区为空间尺度,分析昆仑山北部夏季降水多尺度时空变化特征。结果表明：（1）近5 a昆仑山北部夏季平均降水358.5 mm,小时降水和小时强降水频次分别为301次和74次;日降水极值95.4 mm出现在低山区,小时降水极值64.0 mm出现在平原区。（2）夏季和6—8月逐月降水、平均日降水和小时降水、小时降水频次5个要素特征量均呈“南多北少”的空间分布特征,均随海拔梯次下降而减少;最大小时降水则为反相分布,随海拔梯次下降而增多,小时强降水更易出现在海拔较低的低山区和平原区。（3）夏季降水日变化特征显著,中午至前半夜小时降水的大值中心随时间逐渐偏向低海拔区,大值中心由南向北偏移;小时降水的峰值时间和降水增强时段均随海拔梯次降低而后延,4类区域小时降水峰值均在白天出现,其中低山区和平原区峰值发生在午后。低山区和平原区午后强对流天气造成的短时强降水及其引发的中小河流山洪、滑坡、泥石流等地质灾害是防范重点。     

1980~2018年龙泉驿区降水的多尺度特征

应用趋势分析、Morlet小波分析以及Mann-Kendall突变检验等方法,研究了1980~2018年龙泉驿区降水整体趋势,包括降水的年际变化和季节性趋势,以及降水日数和月、旬、日降水的集中性特征。结果表明：龙泉驿区年降水量整体下降趋势明显,存在3a和9a振荡周期;降水日数存在7~8a和12a振荡主周期,以及4a振荡次周期。可引发龙泉驿区地质灾害活动的降水主要发生在7月和8月,二者降水量在年代际尺度上的变化趋势相反。旬降水量与日降水量均呈明显的准正态分布规律,旬降水量主要集中时段是7月下旬与8月中旬,日降水量较大值也出现在7月与8月。     

盛夏单站降水及降水级别临近预报

盛夏期间吉安地区降水多受中小尺度天气系统影响,预报存在一定的困难。通过对1982—1986年天气图和雷达回波资料的分析,发现利用天气图分型组合,结合雷达回波资料,能够较好地拟合0—4小时降水和降水级别。     

基于多尺度特征深度学习的短临降水预报

雷达回波外推是短临降水预报的一种重要方法。针对雷达回波外推中随着外推时间的增加而出现回波演变信息丢失这一问题,本文提出一种多尺度特征融合的深度学习短临降水预报模型(以下简称为MSF2)。首先,采用多尺度的卷积核对网络的浅层信息进行特征提取,弥补单一特征检测带来的不足。其次,将不同维度的特征信息进行拼接及通道混洗,进一步增强特征图通道之间的信息流通和信息表达能力。最后,将特征图中的多尺度信息进行融合,从而有效保留不同尺度的特征信息。利用华南雷达回波拼图资料数据,在3种不同降水强度（5 mm/h、10 mm/h和25 mm/h）下进行降水预报研究,并与光流法和ConvLSTM两种主流算法进行了对比。结果显示,在3种不同降水强度条件下,MSF2在所有评价指标（命中率POD、临界成功指数CSI、误报率FAR）中表现最优,这表明引入多尺度机制能改善模型的特征提取能力。相比于目前主流的光流法和ConvLSTM,本文提出的模型对于短临降水预报具有较好的适用性和较高的预报精度,而且实现了业务化运行。     

近50年川渝盆地夏季降水多尺度变化特征

利用1961-2010年川渝盆地气象站逐日降水量资料、NCEP/NCAR再分析资料,采用经验正交函数展开、多锥度—奇异值分解等方法,研究了川渝盆地夏季降水的季节内尺度、年际尺度和年代际尺度变化特征。结果表明:川渝盆地夏季降水主模态空间型为东西反向分布型。MTM-SVD分析指出,川渝盆地夏季降水的季节内变化主要表现为准33天振荡,典型循环体现了盆地东西反向分布和南北反向分布的交替演变过程;川渝盆地夏季降水的年际变化特征主要表现为准2年周期循环,并且准2年周期的空间异常分布与盆地夏季降水主模态一致,即东西反向分布;在年代际变化方面,1961-2010年盆地西部夏季降水为减少趋势,盆地东部为增多趋势;川渝盆地夏季降水在1979年和1987年前后出现过两次明显的突变;当南亚高压偏北偏东时,西太平洋副热带高压(下称副高)偏北,盆地东部在副高的控制下,盆地西部则处在副高西部边缘,来自孟加拉湾的暖湿空气被副高阻挡在盆西,导致盆地降水西多东少,而当南亚高压偏南偏西时,副高偏南,来自孟加拉湾的西南暖湿空气可以直接输送到盆地东部,盆地降水西少东多。     

"西北"中东部及内蒙古西部降水的多尺度特征

本文利用西北中东部及内蒙古西部地区近40a降水资料（1961～2000年）,采用趋势分析、lepage、最大熵谱和小波分析等较新的统计方法,分析了降水的气候趋势、阶段性变化以及多时间尺度振荡特征,研究了降水主要振荡尺度的不稳定性,探讨了阶段性变化与多尺度振荡之间的相互联系。     

北京地区自动站降水特征的聚类分析

利用2007—2010年北京123个自动气象站逐时降水观测资料,采用聚类分析方法,对北京的主城区、西部和北部区、东北区、东南区共分为4个区域的逐时降水时空分布特征进行了分析。结果表明:通过与实际地形和下垫面类型比较,自动站分类较为合理,避免了在区域划分方面的主观因素影响。主城区降水集中时段最为突出,集中出现在7月逐日20—00时,且降水强度最强,降水量较大,降水小时数不多。西部和北部区降水集中出现在6月逐日18—20时、7月逐日23时至次日03时,降水小时数最多,降水强度不大,降水量不大。东北区降水主要集中出现在7月逐日00—08时和17—23时,降水小时数较多,降水强度不大,降水量最大;东南区降水主要集中出现在7月的逐日02—04时,降水小时数少,降水强度较大,降水量较大。     

上海浦东地区"梅雨期"降水及其多尺度时频特征

提出了浦东地区"梅雨期"降水的概念.在此基础上,利用小波变换分析了浦东地区"梅雨期"降水的多尺度时频特征及其突变现象.结果表明:浦东地区6月1日-7月10日期间的降水序列能更加客观地反映该地区春末夏初这一特殊的"梅雨期"降水量的实际状况;浦东地区"梅雨期"降水存在准2a和10～20a的主要振荡周期;利用小波逆变换重构的不同振荡周期的时间序列能更好地反映原序列的主要周期振荡特征及其趋势信息.     

全球不同空间尺度陆地年降水的年代尺度变化特征

基于1951~2010年GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）的逐月降水数据,利用集合经验模分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition,简称EEMD法）对全球、东西半球、五个大陆和四个典型干旱半干旱区等不同空间尺度年降水量的年代尺度特征进行了研究,区分了不同空间尺度上降水的年代际变化及其长期趋势。结果发现:（1）全球陆地平均降水既存在年代际的周期振荡,又存在长期变化的趋势,降水的年代际周期振荡的强度远大于降水的长期趋势,两者的共同作用使得全球陆地平均降水呈现以年代际周期振荡为主的特征。（2）在半球尺度,2000年以前,东、西半球具有明显相反的年代尺度变化特征,东半球变干（降水减少）,西半球变湿（降水增加）。（3）1951~2010年,欧亚大陆和非洲大陆与北美、南美和澳洲大陆的年代际振荡和趋势存在着一个近似反位相的关系;干旱化与干旱时段是完全不同的两个过程,两者所处的时段也不同;近10年（2001~2010年）全球五个大陆可能将进入一个相对湿润的时段。（4）四个典型干旱半干旱区降水的年代尺度变化具有明显的区域差异。总体来说,华北和北非与北美和中亚降水在长期趋势及年代际振荡上具有反位相的特征。华北和北非的年代际振荡具有近似的位相。在最近几十年,北美和中亚同处于湿润时段,但前者开始于1975年,后者开始于1985年。此外,中亚的第一个湿润时段（1959~1968年）却对应北美的干旱时段。     

多尺度合成的降水临近预报技术

基于我国新一代多普勒天气雷达观测资料,以梅雨锋等大范围降水为主要研究对象,研究了降水临近预报方法.根据暴雨回波的多尺度特征等,研究暴雨回波的尺度滤波,分割、匹配等处理技术;根据不同尺度回波生命史来约束其预报时效,得到分尺度下的降水预报场,实现暴雨回波多尺度的合成降水量临近预报;将分尺度与不分尺度降水预报结果进行了比较.结果表明,针对大范围强降水多尺度合成的降水量临近预报方法,因不同尺度的回波外推考虑了各自运动的特性及其生命史的差异,预报精度有所提高.     

上海浦东地区“梅雨期”降水及其多尺度时频特征

提出了浦东地区“梅雨期”降水的概念。在此基础上,利用小波变换分析了浦东地区“梅雨期”降水的多尺度时频特征及其突变现象。结果表明:浦东地区6月1日—7月10日期间的降水序列能更加客观地反映该地区春末夏初这一特殊的“梅雨期”降水量的实际状况;浦东地区“梅雨期”降水存在准2 a和10～20 a的主要振荡周期;利用小波逆变换重构的不同振荡周期的时间序列能更好地反映原序列的主要周期振荡特征及其趋势信息。     

夏季副热带大气系统的多尺度振荡分析

应用经验模态分析方法(经验模态分解(EMD)和Hilbert谱),对夏季副热带大气系统在周期态和振荡态下的流函数数值解序列进行本征模态函数(IMF)及其Hilbert谱的分析。结果表明:(1)周期态下的流函数分量时间序列一般由1个IMF构成,而且其周期就是该流函数的周期。对周期性的IMF分量使用Hilbert变换得到的瞬时频率和振幅都不随时间变化。(2)振荡态下的流函数分量时间序列一般由2个以上的IMF构成,其中有的IMF分量具有显著的周期性,相应的瞬时频率和振幅都不随时间变化;有的IMF分量则没有显著的周期性,相应的瞬时频率和振幅有变化,而且随着振荡态复杂程度的增大,瞬时频率和振幅的变化也趋于复杂。(3)瞬时振幅有明确的物理意义,表示IMF振荡的能量;振幅的局部相对大值对应着原序列(IMF)的强振荡,小值则对应着弱的变化。瞬时频率的显著增大,表示原序列有大的变化。     

降水的振荡机理

在物理、化学、气象等广泛领域中,为了研究系统的演化,把研究系统抽象成为一组变量和包含一些控制参数的速率方程组(演化方程),再加上边界条件。由这个模式出发对定态解进行线性稳定性分析,应用分支理论我们可以严格断定在参数空间中定态的稳定区域以及出现分支的线,还可以近似计算分支的解析表达式,也就是各种耗散结构表现出来的许多新现象。自然界从化学到物理的各个领域中,普遍存在着自组织现象。如果我们从广义的、形式的意义上来理解“化学反应”,则在社会和生态学或生物学的领域中,我们将遇到自组织现象的相似方程式,都可以用一组耦合的非线性偏微分方程组来表示。     

中国东部降水和风场的低频振荡特征

本文对中国东部台站4—9月多年日平均降水和1978年4—9月850hPa每日东西风和南北风分量分别进行了谐波分析和带通时间滤波处理.研究结果指出:内陆和东部沿海地区准90天和45天振荡的降水扰动传播方向是自南向北的,而准60天振荡的扰动是从南北两个方向向中间地区传播.长江和珠江流域准90天和45天振荡的扰动具有相反的传播方向,而它们准60天振荡的扰动具有相同的传播方向.此外,在华南汛期、长江中下游梅雨期和华北雨季,一些地区大雨期的出现常常和正降水扰动从不同方向传播到该地区有关.关于1978年4—9月中国东