基于SVD与机器学习的华南降水预报订正方法

降水是在多种天气系统和复杂物理过程共同影响下形成的,因此降水预报难度较大。由于数值预报模式的局限性,使得模式预报产品存在一定误差。为探讨更加有效的模式预报产品误差订正方法,基于奇异值分解（SVD）与机器学习（多元线性回归、套索回归、岭回归）构建订正模型,对2007—2019年4月1日—6月30日华南前汛期欧洲中期天气预报中心（EC）模式降水预报产品进行误差订正试验。结果表明：基于SVD与机器学习相结合的订正模型能有效降低EC模式降水预报产品在华南的预报误差,均方根误差最大优化率达4.2%,累计超过69%的站点得到不同程度的优化;SVD与机器学习相结合的订正模型能很好地处理因子间共线性问题,具有更好的鲁棒性;而对多个订正模型加权集成,均方根误差优化率达5.7%,累计超过77%的站点得到优化,显然加权集成方法订正效果不仅优于EC模式预报产品,也优于参与集成的任一订正模型。     

几种格点化温度滚动订正预报方案对比研究

为了快速获得更为精准的格点温度预报产品,使用国家信息中心高分辨率、高频次的温度格点多元融合产品和欧洲中期天气预报中心全球模式2 m温度预报场资料,采用8种误差订正方案进行滚动订正预报试验。选择2017年1月1日至2月28日和6月1日至7月31日两个时间段进行两次回报模拟试验,并对订正前后的预报结果进行格点和站点检验分析,结果表明:8种方案对模式直接输出的预报场有正技巧订作用,全格点滑动误差回归模型订正和全格点滑动双因子回归模型订正效果最优,两种方案都能使订正场的格点平均绝对误差在2℃以下,3、6和9 h的格点准确率均在0.9以上。全格点滑动误差回归模型的检验评分略微好于全格点滑动双因子回归模型,表明作为预报模型因子的起报时刻误差场比数值模式因子在短期订正中扮演着更为重要的角色。     

针对模式风场的格点预报订正方案对比

为了将格点观测融合产品用于模式预报产品的滚动订正中,获得精准的预报效果,使用国家气象信息中心HRCLDAS（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System）业务系统产生的高频次格点风场融合产品作为实况资料,采用两种风场模型和8种格点误差订正方案,对模式风预报产品进行订正预报试验,试验选择欧洲中期天气预报中心10 m风预报产品的2017年1月1日—2月28日以及2017年6月1日—7月31日两个时间段,进行了预报模拟试验,对8种格点误差订正方案的订正结果进行检验,同时将订正场插值到站点,使用国家级2400个地面气象站风场资料进行站点检验,结果表明:无论从格点还是站点检验的平均绝对偏差、准确率、绝对偏差分布频率结果看,采用基于模式和实况因子的全格点滑动建模订正方案具有最佳的订正效果。     

一种气温的数值预报权重误差订正释用方法

该文在对几种数值预报产品的气温要素预报结果进行检验的基础上,尝试建立了一种权重误差订正方法:通过对数值预报产品进行检验订正,首先根据EC粗网格预报结果结合典型天气形势判断气温走势建立方程,对不同预报产品以近期准确率作为权重平均并结合误差加以订正,建立订正预报方程,对历史个例的检验和试报说明此方法对于提高气温预报的准确率,减小误差是有效的。     

逐步订正法中不同分析方案对降水预后影响的对比试验

利用Ｂｅｒｊａｍｉｎ等改进的逐步订正客观分析中的三种权重函数－圆形、椭圆形、曲率椭圆形，用１９９５年７月１３日００：００－７月１９日００：００的Ｔ６３Ｌ１６模式预报产品和实况资料及改进的有限区域嵌套高分辨率模式对上述三种方案提供的不同初值作了对比试验。     

黄淮地区汛期降水预测的一种前兆信号

为探讨黄淮地区汛期降水预测的物理因子,应用奇异值分解(SVD)技术研究了冬季北太平洋地区上空100hPa高度场与黄淮地区汛期降水场的时空结构及相互关系。结果表明其SVD分解的第一模态有较高的相关,一般1月份40~60°N,160°E~160°W的北太平洋地区上空100hPa高度场偏低(高)时,则黄淮地区汛期降水偏少(偏多),可作为预测黄淮地区汛期降水的一种前兆信号。     

镇江地区ECMWF模式高温预报订正方法研究

针对镇江ECMWF模式168 h内高温(t≥35℃)预报结果提出四种后处理订正方案,包括一元线性回归法、差值法、综合法和递减平均法;借助均方根误差等四种检验方法就订正效果进行评估,找寻最优订正方案。结果表明,四种订正方法都明显改善了ECMWF模式高温预报,订正后的均方根误差、平均绝对误差及最大绝对误差较订正前均有所减小,预报准确率显著提高。对于24 h时效内预报,四种订正方法各有优势。对于48～168 h时效预报,一元线性回归法效果更优。采用分时效对ECMWF模式高温预报结果进行后处理,考虑24 h预报订正使用递减平均方法,48～168 h预报订正使用一元线性回归法,可以更大程度地提高预报准确率。     

T639数值预报产品订正方案

利用2010年1—12月的T639数值预报产品作为预报形势场,以1980—2009年共30年的NCEP资料作为历史样本场。利用动态相似统计方法,对T639的预报产品,从30年的历史样本场中找相似个例。选取因子,采用多元回归法,对T639的预报产品进行订正方案设计。用2011年1—6月的T639预报产品对方案的订正效果进行检验。对比分析发现,方案对东北半球3天以上的高度场和4天以上的温度场订正效果明显,高度场的订正效果优于温度场。     

华北汛期降水多因子相似订正方案与预报试验

本文基于动力—相似预报的基本原理, 在已初步建立的华北汛期降水模式的动态最优多因子组合相似订正方案工作基础上, 研究前期关键因子之间的相互配置对夏季降水的影响, 挑选关键的大气环流预报因子。根据预报年前期气候因子的异常状况, 通过EOF压缩自由度进行相似年选取, 进一步构建了基于前期异常信号的汛期降水相似订正预报方案。研究发现, 预报年前期大气环流中异常因子个数的偏多或偏少与该年华北降水的多寡呈现较好的对应关系, 并以异常因子的个数状况作为判断该年是否为异常年的标准, 将异常多因子方案与动态最优多因子方案相结合, 建立模式误差相似订正的多因子综合预报方案。通过诊断分析发现, 该方案对降水异常年有着较好的针对性。2003～2009年7年的独立样本回报结果表明: 该方法进一步提高了模式对华北汛期降水的预报能力, 将华北汛期降水预报的距平相关系数 (ACC) 平均分从系统订正结果的0.38提高至0.61, 具有良好的业务应用前景。     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

质量守恒律在国家气候中心气候谱模式中的应用

概述了在国家气侯中心气侯谱模式中,引入参考大气和大气质量守恒律,消除了原模式由于模式大气质量不守恒引起的气候漂移计算误差,改进了气候模拟,提高了预报精度.     

利用ARGO资料改进ENSO和我国夏季降水气候预测

全球海洋ARGO资料的获取为气候预测的研究提供了前所未有的海洋资料。该文首先利用ARGO资料改进次表层参数化方案后的Zebiak-Cane海洋模式, 与统计大气模式耦合, 建立了热带动力海洋-统计大气耦合模式。通过比较应用和未应用ARGO资料改进的海洋模式, 进行了耦合模式的长期回报试验。结果表明:ARGO资料的应用极大地改善了耦合模式对热带太平洋海面温度异常的预测能力, 提前3个月和6个月的回报结果都有很大的改进, 基本上回报出了Niño3.4区海面温度异常的演变特征, 对厄尔尼诺和拉尼娜都能够给出较准确的回报, 回报结果与观测之间的相关性在整个热带太平洋区域明显提高。该文还利用国家气候中心 (NCC) 全球海气耦合模式, 对我国夏季降水进行了个例和多年季度回报模拟试验, 探讨了包含和不包含ARGO观测资料的同化资料作为初始场对我国夏季降水预测的影响, 表明采用带有ARGO观测资料的海洋同化初始场, 回报的我国夏季降水分布形式与观测更一致, 回报结果与观测之间的正相关区域变大, 对我国夏季降水的回报水平比采用没有ARGO观测资料的海洋同化初始场时有明显提高。     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。     

华北春季降水及其与前期印度洋海温的关系

利用华北17站1951-2002年春季（3-5月）逐月降水资料和NOAA再分析海表温度资料，研究了华北地区春季降水特征及其与海温的关系。得知华北春季降水偏少年出现频次比偏多年频次高，但是年际变化明显，强度没有偏多年严重。华北地区春季降水有一定的年代际变化和周期性，降水周期在20世纪70年代中期以前为4-6a，在70年代中期以后为6-8a。同时用相关分析方法找出了影响华北地区春季降水的海温关键区为印度洋，发现印度洋在前一年11月到当年1月存在一个相关系数较高海区。用SVD方法证实了前期冬季印度洋海温正是与华北春季降水相关最显著的时段和地区。并用合成分析初步得到印度洋海温异常强迫影响大气环流，并通过遥相关影响华北地区降水。     

中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统的改进及其对1998年全国汛期旱涝形势的预测

通过引入改善了地表反照率参数化方案的中国科学院大气物理研究所（ＩＡＰ）大气环流模式,我们对ＩＡＰ短期气候距平预测系统（ＩＡＰＰＳＳＣＡ）中的大气模式部分进行了改进。利用改进前后的ＩＡＰＰＳＳＣＡ,我们对１９８０～１９９４共１５年中国夏季降水异常进行了集合预报检验,与实测结果比较表明,改进后的ＩＡＰＰＳＳＣＡ对江淮和华南地区的预报技巧与原先的系统相比只是有略微的提高,但对我国东北、华北、河套区域以及整个中国东部的预报技巧则比原系统有较大程度的提高,从而表明气候模式中陆面过程的正确表述可以提高模式气候预测的能力。利用改进的ＩＡＰＰＳＳＣＡ和ＩＡＰＥＮＳＯ预测系统提供的预测海温距平,我们对１９９８年中国夏季降水异常进行了预报（该预测３月份提供给有关单位）。今与实际情况比较表明,改进了的ＩＡＰＰＳＳＣＡ和ＩＡＰＥＮＳＯ预测系统耦合,对１９９８我国夏季旱涝形势的预测与实测基本相符,但强度较小,说明有一定预报能力,但也还有许多问题。     

南京地区夏季高温日数年际变化的主要模态及其与200 hPa经向风的联系

利用集合经验模态分解（EEMD）方法研究了南京地区夏季高温日数主要的非平稳年际变化周期型。对1946—2000年的南京地区夏季高温日数进行分解,分别得到包含有准2年周期分量和6年周期分量的年际变化型,而且准2年周期分量幅度较大,变化特征与高温日数观测数据变化具有较高的相似性。不同于传统方法,EEMD方法给出了高温日数在不同时间尺度上各自分离的变化特征。另外,这两种时间变化模态的演变对应于同期夏季不同的全球200 hPa经向风波列型,前者主要作用区域在南亚经过南海、西太平洋的副热带地区到日本海附近、北美中纬度地区和南印度洋和南大西洋中高纬度地区,而后者仅位于欧亚中高纬度地区。这两种独立变化时间模态的对应的遥相关空间分布型对于提高南京地区高温日数气候预报精度有重要意义。