The Relationship between Deterministic and Ensemble Mean Forecast Errors Revealed by Global and Local Attractor Radii

It has been demonstrated that ensemble mean forecasts, in the context of the sample mean, have higher forecasting skill than deterministic(or single) forecasts. However, few studies have focused on quantifying the relationship between their forecast errors, especially in individual prediction cases. Clarification of the characteristics of deterministic and ensemble mean forecasts from the perspective of attractors of dynamical systems has also rarely been involved. In this paper, two attractor statistics—namely, the global and local attractor radii(GAR and LAR, respectively)—are applied to reveal the relationship between deterministic and ensemble mean forecast errors. The practical forecast experiments are implemented in a perfect model scenario with the Lorenz96 model as the numerical results for verification. The sample mean errors of deterministic and ensemble mean forecasts can be expressed by GAR and LAR, respectively, and their ratio is found to approach2~(1/2) with lead time. Meanwhile, the LAR can provide the expected ratio of the ensemble mean and deterministic forecast errors in individual cases.     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

Kinetic energy budget and moisture flux convergence analysis during interaction between two cyclonic systems: Case study

An analysis of the kinetic energy budget during a case of interaction between middle latitude and extratropical cyclones has been made in this work. Horizontal flux convergence constitutes a major energy sink. Generation of kinetic energy via cross-contour flow is a persistent source throughout the growth and decay periods. Dissipation of kinetic energy from subgrid to grid scales is an important source during the pre-storm period; it acts as a sink during the growth and decay periods. The major contribution to kinetic energy comes from a persistent upper tropospheric jet stream activity throughout the period of the cyclone development. The characteristics of moisture-flux components (divergent and rotational) along with precipitable water content for different tropospheric layers throughout the life cycle of our cyclone are also studied in this work. It is found that most of required humidity for our cyclone are initiated from Arabian Sea and then to some extent are reinforced over Gulf of Aden and east of central Africa and then by passing over Red sea enter to the south and south east of Mediterranean Sea. The rotational component of the moisture transport brings moisture from two regions; the first which is considered the main region is the Indian Ocean, Arabian Sea, Gulf of Aden and north east of Sudan. The second source region is the Atlantic and Mediterranean Sea. In the middle troposphere, the primary moisture source is found over central Africa, which in turn is traced to the Atlantic Ocean, the Indian Ocean, and the Arabian Sea. The upper-level moisture fluxes are weak and play a minor role over the area of interaction between two cyclones.     

北京山区与平原冬季近地面风的精细观测特征

利用2009—2018年冬季北京地区200多个自动气象站逐时10 m风速、风向观测数据,分典型区域（山区、山区与平原过渡区、平原区、城区）研究北京地区冬季近地面风的精细特征,并使用有完整记录的2 a（2017和2018年）冬季延庆高山区不同海拔高度10 m风逐时观测数据,多视角分析高山区不同海拔高度近地面风的特征和成因,以深刻认识北京地区复杂地形条件下冬季近地面风的特征和规律。结果表明:（1）北京地区冬季近地面平均风受西部北部地形、城市下垫面粗糙度和冷空气活动共同影响,平均风速沿地形梯度分布,山区高平原低,平原中又以城区风速最小;盛行西北风和北风,在城区东、西两侧盛行风出现扰流,在山区和过渡区一些地方还存在与局地地形环境明显关联的其他盛行风向。（2）4个典型区域冬季近地面风速日变化均表现为白天风速大于夜间,午间风速最大的“峰强谷平”单峰特征,这一特征的稳定性在城区高、山区低。（3）4个区域冬季弱风（< 1 m/s）频率为31%—42%,城区较高、山区较低;强风（> 10.8 m/s）频次则是山区多、城区少,强风风向主要表现为偏西—偏北,与冷空气活动密切关联;城区、平原区和过渡区偏南风频率均为极小,暗示北京“山区—平原”风模态在冬季是“隐式”的、不易被直接观测到。（4）近地面风的水平尺度代表范围在延庆高山区高海拔处明显大于低海拔处,海拔1500 m附近（平均的边界层顶高度）是延庆高山近地面风速日变化特征的“分水岭”,低于该海拔高度时近地面风速日变化表现为前述“峰强谷平”单峰特征,而高于该海拔高度时近地面风速日变化则呈现相反特征,即夜间大白天小、午间最小的“峰平谷深”特征,这是由边界层湍流活动的日变化及伴随的低层自由大气动量向边界层内下传所致。（5）延庆高山近地面风速大体上随观测高度而增大,高海拔站点日平均风速数倍于低海拔站点。白天—前半夜,海拔约2000 m的站点冬季盛行偏西风,风向变化不大,但风速为2—12 m/s;1000 m左右的低海拔站则风速比较稳定（< 6 m/s）,风向从午间至傍晚相对多变。      

京津冀地区低层局地大气环流的气候特征研究

本文采用2007-2016年的中尺度数值模拟结果和15个地面气象站观测资料,定义了局地风场表征风速,研究京津冀平原地区局地大气环流日变化的气候特征,并对区域大气污染及其输送的影响进行分析。此外,对2016年12月30日至2017年1月7日北京地区跨年大气重污染过程进行了个例分析。得到结论:京津冀平原地区低空风场变化是天气系统与局地大气环流共同作用的结果,山谷风环流致使太行山和燕山沿线平原地区大气边界层内的长年主导风向为偏北和偏南;太行山和燕山沿线地区山谷风环流本身呈顺时针旋转的日变化特征,夜间至早晨谷风转向山风,午后至夜间山风转向谷风;在午后谷风向山风转向期间,容易形成沿太行山东麓和燕山南麓、自南向东北的"弓形"气流输送通道,此气流输送通道在1月于21时左右形成,持续时间大约3 h,在7月于18时左右形成,持续时间可达9 h;冬季午后至晚间盛行谷风时,受山体的阻挡,污染物容易在山前累积,导致污染浓度增高;夏季同样的情况会发生在后半夜。     

基于小波长短期记忆网络的风电功率超短期概率预测

随着大规模的风电并网,风电所具有的间歇性与随机性对电力系统的稳定性产生了很大的影响,风电功率预测成为当前解决该问题重要的方式之一.本文利用长短期记忆（LSTM）网络良好的时序记忆特性,将小波分解技术与LSTM深度网络结合,提出基于小波长短期记忆网络的风电功率超短期概率预测模型.首先通过小波分解技术将原始时间序列进行平稳化处理,再建立各子序列样本的LSTM网络预测模型,借助最大似然估计法估计预测误差的高斯分布函数,最终实现对未来4 h时刻的风电功率概率区间预测.最后,采用中国东北某风电场数据对所提方法进行算例分析,结果表明,将小波分解与深度学习方法结合可以较好地提高预测的精度,提高概率预测的区间可靠性.     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

基于偏最小二乘回归的区域换式风速预报订正技术研究

利用偏最小二乘回归技术,将预报产品作为自变量,相应的自动气象站观测资料作为因变量,对2013-2016年冬季浙江省中尺度区域模式预报近地面风速进行订正和评估。所选956站中多数站点风速订正后有所改善,通过定量分析可知浙江西部地区整体改善效果最好,其中效果明显站点占91.7%;中部地区改善效果明显站点占86.5%;东部沿海地区改善效果略差,明显改善的站点占67%。各地级市整体表现均不错,除舟山地区为49.9%外,其他地区风速改善比例均超过50%。选取2017年1月20日浙江东北地区沿海大风过程分析发现订正后的风速与观测风速更为接近,在定海大岛站点(靠里)中表现尤为明显,订正后的结果具有显著参考价值。     

利用风廓线雷达研究郑州机场低空急流特征及其对飞行的影响

利用2016、2017年郑州机场高分辨率边界层风廓线雷达半小时平均观测资料, 对机场上空低空急流时空分布特征进行统计研究, 结果表明:夏末、秋季低空急流出现次数相对较少, 春季、夏初是高发时期, 冬季易出现较强的超低空急流, 只有春季风速从低层到高层呈现先增大后减小、再增大的变化过程, 8月末可能是急流的时空转换期; 夜间和凌晨是高发时段, 白天降低30%~40%, 一般情况下, 00—12时(世界时, 下同)急流较弱, 12时后明显增强向上发展, 19时开始减弱, 持续至21时; 急流中心最大风速一半以上在12~18 m/s, 高度集中在60~180 m和300~900 m, 超低空急流占大部分, 夜间出现最大风速的概率远高于白天; 低空急流发生高度大部分在飞机起飞或着陆的范围内, 使飞机复飞概率增加, 对夜间航班影响更大。      

台风Chanchu(0601)变性过程中的强度变化及环境场分析

利用非静力中尺度WRF模式模拟的台风Chanchu(0601)的输出资料,探讨了Chanchu减弱变性过程的强度及结构变化。分析结果表明:在台风Chanchu北移过程中,高层的暖心被破坏,强度快速减弱,眼壁对流发展高度降低,眼壁对流由对称结构演变为非对称,内核对流减弱。此减弱变性过程与惯性稳定度减小、垂直风切变增强、低层锋生等环境要素有关。惯性稳定度与台风强度变化一致,随着惯性稳定度降低,最大切向风减弱并不断外扩,Rossby变形半径增大从而潜热释放不集中难以维持台风强度,台风减弱;同时,内核区的高层暖心更易径向频散,从而高层暖心难以维持;环境的垂直风切变增强使台风的斜压性增强,台风垂直结构的倾斜度增大,对流发展高度降低;低层冷空气侵入台风中心趋于填塞,也利于台风强度减弱;台风登陆以后冷暖空气对比导致的锋生使得不稳定能量释放从而重新加强了Chanchu环流内的中低层对流活动,但较台风最强时刻而言对流强度减弱。总体减少的对流和降低的对流高度,导致潜热能释放减小,其向心输送也减少,不足以维持强暖心结构,最终使得台风减弱并变性。