基于长短期记忆神经网络的风速超短期快速滚动预报技术

利用甘肃省某风电场2017—2020年测风数据,基于长短期记忆神经网络(LSTM)模型,通过评估不同输入数据和模型时间窗口长度下的预报精度,设计一套适用于风电场的风速超短期快速滚动预报方案。结果表明：通过输入不同的特征变量,在风速的超短期(未来4 h内)预报中,风速自身变化起主导作用,模型输入变量中只加入各高度层的风速能得到更好的模拟效果。通过评估LSTM模拟时间窗口长度L对模拟效果的影响,当时间窗口长度L≤24 h时,模拟效果较好,说明超短期风速变化主要和风速自身临近时刻的变化有关;当L>24 h时,模拟效果快速下降,说明过长的L会削弱模拟能力,降低模拟精度。通过分析LSTM在未来4 h内的风速模拟能力,发现随着预报时长的增加,模拟精度逐步下降,但在未来2 h内的风速均方根误差RMSE均小于2 m·s^-1,结果较为理想,且该方法对计算资源要求不高,经济实用性强,在业务中具有较高的应用潜力。     

基于人工神经网络的沿海风速多步预测研究

基于气象历史观测资料,将长短期记忆网络LSTM方法和Transformer模型结合提出了混合短期风速多步预测模型BLSTM TRA。以山东半岛南部沿海6个台站为研究区域,通过气象台站观测数据构建数据集。经与2018年ECMWF模式6 h预报结果对比分析,得出如下结论：构建的BLSTM TRA多步预测模型可大幅度降低风速误差,BLSTM TRA的1 h单步预测结果和ECMWF预报模式结果对比,其RMSE平均降低了58.9%,MAE平均降低了63.2%;风速误差和大风统计过程分析发现,BLSTM TRA模型具有一定的抗干扰能力,可以抓住短时大风等敏感信息,对于大风预报结果明显优于ECWMF模式和传统LSTM模型。     

2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析

2020年7月西北太平洋和南海出现了史无前例的“空台”事件。利用NCEP再分析数据集、中国气象局（CMA）台风最佳路径等资料研究了此次“空台”现象的大尺度环流背景及动力和热力学特征。使用台风潜在生成指数（DGPI）分析发现2020年7月大尺度环流背景不利于台风生成,环流系统的异常通过影响对流层垂直风切变和垂直运动限制了台风的活动。2020年7月马斯克林高压较常年明显偏西偏弱,导致索马里急流强度减弱,越赤道气流不活跃,菲律宾以东洋面和南海海域盛行一致的偏东气流,历史同期活跃在该区域的季风槽无法建立,从而不利于热带扰动的生成。北半球极涡主体偏向西半球一侧,影响东半球冷空气势力较弱,副热带高压位置偏西;南亚高压较历史同期偏强且偏东,其东侧强盛的偏东气流将洋中槽截断,在西北太平洋区域出现反气旋性环流,该区域下沉气流增强,导致副热带高压强度增强,对流层中层强烈的下沉气流抑制了台风的生成和发展。此外,受中高层环流系统异常的影响,7月菲律宾吕宋岛以东洋面和南海地区环境垂直风切变较常年偏高2～4 m/s,南海部分海域偏高达4～8 m/s,同时该区域内异常偏强的下沉气流导致对流层低层相对湿度偏低,大气层...     

基于WRF/CALMET的近地面精细化风场的动力模拟试验研究

本文利用中尺度动力模式 WRF和诊断模式CALMET对琼州海峡的两次冷空气过程的近地层风场进行模拟和诊断,所用的资料是美国NCEP再分析FNL资料。WRF模式第一至第四层网格的水平距离分别是27、9、3和1 km,并用WRF-1 km场以单向嵌套模拟方式降至200 m,同时以 WRF-1 km 预报场作为 CALMET 初猜场降尺度诊断至200 m。分别用CALMET-200 m风场、WRF-1 km风场和 WRF-200 m风场,3个风场的风速、风向与沿琼海海峡分布的21个测站（其中6个测风塔）观测资料进行检验比较分析。主要结论是：（1）CALMET-200 m的风速RMSE明显小于另外两组试验,风向RMSE总体上差异不大;在60～80 m高度上也没有明显差异。（2）在0～8 m·s－1风速,10 m高度上CALMET-200 m风场诊断结果最好,风速平均偏差值从4～0 m·s－1,WRF的两组试验平均偏差值比CALMET-200 m结果大约2 m·s－1,风向上表现为偏差的分布更加集中;60～80 m高度上,CALMET-200 m 诊断效果与 WRF-1 km 模拟效果相当,但是冷空气时段内 WRF-200 m的风速要远远差于另外两组试验;而3组试验的风向并无大的差异。（3）WRF／CALMET模式系统在非冷空气活动时段内的风速风向模拟诊断偏差更小,说明其在层结相对较稳定时模拟诊断的准确度更高。     

基于多普勒雷达VAD算法的业务应用讨论

多普勒天气雷达垂直风廓线（V WP ）产品在业务预报中已有较广泛的应用,并得到了风廓线的某些特征结构与雷暴及强对流之间的对应关系。由于对多普勒径向速度反演得到风廓线产品的VAD算法缺乏了解,目前对VWP 及速度方位显示（VAD）产品的应用还存在一些误区。文章由单多普勒雷达反演水平风场的基本原理入手,回顾了VWP 及VAD产品在暴雨与强对流临近预报中的应用,并重点对VWP及VAD产品的业务应用误区进行了讨论。     

湖北省旱涝灾害致灾规律的初步研究

利用1960—2005年湖北省76个地区气象灾害的灾情普查数据和逐日降水量观测资料,对湖北省旱涝灾害的时空分布特征及其致灾规律进行分析。结果表明:干旱灾害的频发区呈东西走向的带状分布,而洪涝灾害的发生频次和频发区面积均明显少于干旱;干旱和洪涝灾害年平均发生站次在1996年以后出现相反的变化趋势,干旱发生站次增加,而洪涝发生站次减少,且两种灾害均主要集中发生在夏季;1996—2001年湖北省部分地区连续出现严重干旱灾害,干旱的累积增强效应导致农业经济损失出现跳跃性增长并在2001年达到最大值;洪涝的致灾强度呈准周期的起伏振荡,农作物受洪涝影响面积最大、损失最多的年份集中在20世纪90年代,农作物受害面积与农业经济损失的决定系数为0.8;受害人口与直接经济损失具有较好的相关特征,且直接经济损失随受害人口增多而增加的速度加快,但近年来人口对洪涝灾害的抵御能力也显著提高;急转干旱和急转洪涝主要发生在鄂西北和鄂东南的夏季,农作物的脆弱度增加,农业经济损失随受害面积增大而增加的速度加快,但所造成的农业经济损失远小于仅发生干旱和洪涝时的数值。     

The impact of boreal autumn SST anomalies over the South Pacific on boreal winter precipitation over East Asia

The possible mechanism behind the variability in the dipole pattern of boreal winter precipitation over East Asia is analyzed in this study. The results show that the SST anomalies(SSTAs) over the South Pacific Ocean(SPO) in boreal autumn are closely related to the variability in the dipole pattern of boreal winter precipitation over East Asia. The physical link between the boreal autumn SPO SSTAs and the boreal winter East Asian precipitation dipole pattern is shown to mainly be the seasonal persistence of the SPO SSTAs themselves. The seasonal persistence of the SPO SSTAs can memorize and transport the signal of the boreal autumn SSTAs to the following winter, and then stimulates a meridional teleconnection pattern from the SH to the NH, resulting in a meridional dipole pattern of atmospheric circulation over East Asia in boreal winter. As a major influencing factor, this dipole pattern of the atmospheric circulation can finally lead to the anomalous precipitation dipole pattern over East Asia in boreal winter. These observed physical processes are further confirmed in this study through numerical simulation. The evidence from this study, showing the impact of the SPO SSTAs in boreal autumn,not only deepens our understanding of the variability in East Asian boreal winter precipitation, but also provides a potentially useful predictor for precipitation in the region.     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

A diagnostic analysis on the effect of the residual layer in convective boundary layer development near Mongolia using 20th century reanalysis data

Although the residual layer has already been noted in the classical diurnal cycle of the atmospheric boundary layer,its effect on the development of the convective boundary layer has not been well studied. In this study, based on 3-hourly20 th century reanalysis data, the residual layer is considered as a common layer capping the convective boundary layer. It is identified daily by investigating the development of the convective boundary layer. The region of interest is bounded by(30°–60° N, 80°–120° E), where a residual layer deeper than 2000 m has been reported using radiosondes. The lapse rate and wind shear within the residual layer are compared with the surface sensible heat flux by investigating their climatological means, interannual variations and daily variations. The lapse rate of the residual layer and the convective boundary layer depth correspond well in their seasonal variations and climatological mean patterns. On the interannual scale, the correlation coefficient between their regional averaged(40°–50°N, 90°–110° E) variations is higher than that between the surface sensible heat flux and convective boundary layer depth. On the daily scale, the correlation between the lapse rate and the convective boundary layer depth in most months is still statistically significant during 1970–2012. Therefore, we suggest that the existence of a deep neutral residual layer is crucial to the formation of a deep convective boundary layer near the Mongolian regions.     

近30年中国地面风速分区及气候特征

通过中国近地面风速区划可以深入了解风速分布规律,有助于研究风速的变化机制。利用1980-2009年中国608个测站的日平均风速资料,经过旋转经验正交函数分解法(REOF)得到10个分区,各分区范围和地形有一定的关系。风速频率曲线变化表明,中国北部地区(第3、4区)风速偏大,中部地区(第2、10区)风速普遍较小;对比分析了区域有效风速日数频率和风能分布。根据谐波方法得到各分区风速的年变化特征,大部分区域呈单峰单谷型或双峰双谷型,高值区主要出现在春季,并分析了形成上述特点的可能天气学成因。风速线性倾向估计结果表明,中国大部分地区风速呈减小趋势,第1、4、5区平均风速递减率在-0.028~-0.023 m·s-1·a-1之间,但是,中部地区(第2区、第6区西部、第10区)年平均风速出现递增。通过Mann-Kendan法和小波分析方法检测表明,第2、3、5区突变点出现在2000年附近,第1、4、6区突变点出现在20世纪90年代初。环流特征量指数和风速同期相关性分析,揭示了北极涡和副热带高压对风速的影响。