中国近海现场海洋观测系统设计评估

中国科学院正在发展一个在中国近海(包括黄海、东海和南海)现场海洋观测系统。观测系统包括3个沿岸观测站点、4个近海离岸浮标和由观测船只按固定航线做的船舶观测断面。观测站点、浮标和断面的位置已经预先确定,这个计划在2008-2011实施。利用基于卡尔曼理论的样本集合方法对这样一个能够监测大尺度的季节和年季变率的观测系统设计进行了评估。根据卡尔曼滤波理论,用集合样本的方法能够给出经过同化这个观测系统位置的观测资料后能够减少多少分析误差和分析场的不确定性。用2个来自不同模式、不同分辨率的模式的结果作为集合样本来计算静态的背景误差协方差,这2套样本分别是来自分辨率是0.5°×0.5°的模式同化结果和高分辨0.125°×0.125°的模式结果。由这2个不同资料得到的结果是一致的。发现来自3个近岸和4个离岸浮标得到的观测能够有效地减少SST在渤海、黄海、东海和南海中部的分析误差。然而在越南东部和台湾东部海域,分析误差减少的百分比相对要小。最后,给出了中国近海最优的观测位置序列设计。     

极端天气预报指数和集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用北大核心

利用2016—2021年ECMWF集合预报,评估了极端天气指数EFI(Extreme Forecast Index)、尾偏移指数SOT(“Shift of Tail”index)以及集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用效果。通过研究极端天气预报指数对浙江台风和梅雨暴雨的最优预报阈值,发现梅雨暴雨阈值比台风暴雨明显偏小,且随预报时效增加减小速度偏慢。最优阈值预报相比确定性模式预报,在台风和梅雨暴雨预报检验中体现出更好的稳定性、提前性和准确性。进一步研究发现,通过区分天气类型确定的最优预报阈值,可作为台风和梅雨暴雨落区预报的参考依据。925 hPa水汽通量散度的集合异常度对浙江台风暴雨的落区和强度变化有较好的预报效果,850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的集合异常度可以反映稳定性梅雨暴雨的过程演变。     

基于Local-BGM法的冷涡暴雨集合预报试验及评估检验北大核心

基于传统增长模繁殖法(Breeding Growing Mode,BGM)和局地增长模繁殖法(Local Breeding Growing Mode,Local-BGM)生成初始扰动成员,对一次冷涡暴雨过程进行集合预报试验,从多方面比较两种方案的预报效果,并且在邻域概率法(Neighborhood Probability,NP)中引入时间邻域,评估概率预报结果。结果表明,引入局地化思想的Local-BGM方案能够生成比传统BGM方案更合理的初始扰动,具有很明显的局地特征。对于扰动变量的预报,Local-BGM方案在均方根误差和离散度等方面均表现更好,同时能够提高各量级降水的预报技巧。邻域集合概率法能够综合各个集合成员预报的降水信息得到优于集合平均的概率预报,分数技巧评分更高。并且在考虑时间不确定性后,无论是控制预报、集合平均还是邻域集合概率法,分数技巧评分均有很大改善,并且降水阈值越大改善效果越明显,能够为极端强降水天气提供较为客观的概率预报信息。     

融合数据同化与机器学习的流域径流模拟方法

环境变化影响下流域径流的精确模拟对洪涝灾害防治与区域水资源管理都具有重要意义。在径流模拟研究中，现有机器学习模型未能充分考虑水文中间状态变量对降雨-径流过程的影响，本研究基于集合卡尔曼滤波(EnKF)更新水文状态变量，结合主成分分析(PCA)提取预报因子的主要特征，采用长短时记忆神经网络(LSTM)构建考虑水文中间变量的机器学习水文模型EnKF-PCA-LSTM。以赣江流域为例，评估EnKF-PCA-LSTM模型的径流模拟效果，同时将模拟结果与LSTM模型、物理水文模型HYMOD做对比分析。结果表明，EnKF-PCA-LSTM模型模拟径流的纳什效率系数、Kling-Gupta效率系数和对数纳什效率系数分别为0.954、0.971和0.972,比LSTM模型和HYMOD模型具有更好的模拟性能，说明考虑水文状态变量可有效提高机器学习模型的径流模拟精度及稳定性。研究成果可为流域径流模拟提供技术参考。     

输水渠系水动力数字孪生模型糙率估计方法

为提高水动力数字孪生模型校正环节中糙率估计的实时性和精细化，考虑糙率值在渠道纵向上的空间变异性，提出基于水力半径变化和估计精度分段估计糙率的思路；基于渠道分段，提出独立估计法和联合估计法2种不同估计框架。基于有限的观测水位，在框架内应用集合卡尔曼滤波算法，在线估计各渠段的糙率值。结果表明：相比未分段时，2种估计方法可提高模型精度20%～50%,独立估计法误差累积小，适合复杂渠系；而联合估计法适用于观测量缺失的简单渠道。研究成果可服务于水动力数字孪生模型的参数估计和变量更新，为建设数字孪生水网提供参考。     

热带印度洋和热带太平洋海温振荡规律的研究

选择1979-1993年间的热带气旋为试验个例，通过扰动热带气旋初始位置和初始结构。构造集合成员，用正压原始方程模式，进行路径集合预报试验，并初步探讨预报成员的集合方法。试验结果表明：热带气旋定位误差影响路径预报，但扰动初始位置的集合平均预报与控制试验的预报水平相接近。扰动热带气旋初始结构的集合预报试验表明，约有60％。70％个例的集合路径预报得到改进：此外，试验结果还表明，当环境引导气流较弱时，进行扰动热带气旋初始结构的集合预报，预报结果的改善较明显。     

集合平均方法的建立及海洋动力系统耦合作用的性质分析

不同海洋动力过程之间的相互作用决定了海洋系统内部的结构,外观表征上则反映了海洋动力要素的空间及剖面精细化分布与演变特征,海洋动力系统相互作用理论愈来愈成为支撑海洋耦合数值模式与数值预报发展的重要基础.不同于Reynolds尺度平均概念,基于局域平稳均匀统计意义下的集合平均可易于实现集合层级和系统划分.在此基础上提出了一...     

涡旋结构和环境场对台风“黑格比”（2020）强度变化的影响

为进一步认识影响台风强度预报的因素,提升对台风最大强度预报的能力,利用高精度集合模拟试验对2020年第4号台风“黑格比”的发展增强过程进行了分析,探讨了初期涡旋和大尺度环境背景对台风最大强度的影响。结果表明：描述初期台风涡旋特征的10 m最大轴对称切向风、最大风速半径附近及其外侧低层的轴对称切向风和入流以及涡旋的丰满度均与台风最大强度有较好的相关：最大轴对称切向风能够更早且更准确地指示台风最大强度;最大风速半径附近及其外侧低层的轴对称切向风和入流越强,其伴随的向台风内核区输入的角动量越大,台风的最大强度也越强;初期台风涡旋的丰满度与最大强度的相关远高于外围风圈和最大风速半径与最大强度的相关,意味着对于小台风“黑格比”而言,只要初期涡旋丰满度大,其最大强度也会很强。“黑格比”的最大强度与其西侧“森拉克”台风和东侧副热带高压也密切相关,若这两者都偏强,不仅使得“黑格比”引导气流的向北分量偏强,导致台风快速北移受到干空气影响,还会使得“黑格比”的环境风垂直切变增大,不利于台风达到更强的最大强度。对于这类台风而言,初始涡旋结构和邻近台风及副热带高压的准确描述是提高台风最大强度预报能力的重要前提...     

一次梅汛期极端降雨过程雨带位置模式预报性能对比分析

2016年6月30日至7月4日出现了当年入汛以来最强降雨过程,然而数值预报却出现了明显误差.为此,本文首先对比和分析了当今预报性能最优越的欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium Range Weather Forecasting,简称ECMWF)和美国环境预报中心/全球预报系统(Na...     

1967—2019年斗门二十四节气气候变化

采用集合经验模分解方法，确定了斗门24个节气温度和时间的阈值，分析了各节气平均温度及其在季节循环中时间节点的演变趋势，并计算了各个节气下斗门气温、降水量等气象要素的多年节气平均分布及线性趋势变化。结果表明：季节循环中气温上升阶段的气候节气都有显著提前的趋势，气温下降阶段则具有显著推迟的趋势，主要是由气温季节循环的整体增暖造成的。各个节气气温均呈增温趋势，且大部分增温明显，农业种植可根据气温变化时间规律合理调整作物种植或收获时机以提高产量；清明至秋分节气期间累积降水量占全年总降水量的85.7%,对灌溉水量需求较大的作物生长节点需重点把握两个节气间的时间；养殖户可于平均风速较小的节气如立秋至白露期间，以及日照时数较短的春分临近时节，主动开展增氧作业，规避部分鱼群泛塘现象带来的损失。