气象研究与应用

深度学习在降水预报中的研究和应用进展

2024年09月15 00:00

主要总结气象领域常用深度学习算法特征、纯数据驱动的深度学习降水预报技术和深度学习与数值天气预报耦合技术在临近、短时、中短期、气候降水预报中的探索成果，同时对气象业务预报中深度学习的应用进行简单回顾。传统深度学习算法的优缺点不同，在实际应用中，需要根据具体的气象数据特性和业务需求来选择合适的模型和方法。临近预报方面，常使用深度学习算法建立降水预报模型从而进行强降水云团空间特征提取和时间演变分析。长时间序列降水预报，则主要通过初始场资料同化、模式改进、模式预报后处理等方面优化数值模式降水预报效果。深度学习在解决降水预报技术方面有巨大潜力，部分成果已经实现业务应用，尤其在临近降水方面，对于更长时效的降水预测应用还有待进一步研究。

广西暴雨集中度智能气候预测方法研究

覃卫坚, 何莉阳, 蔡悦幸 — 2024年09月15 00:00

利用1961—2023年广西79个气象观测站逐日降水和国家气候中心大气环流、海温指数资料，构建广西暴雨集中度计算方法，基于逐步回归方法、粒子群-神经网络、随机森林算法，建立暴雨集中度气候预测模型。结果表明，广西存在以桂林和柳州两市北部为中心的桂东北地区、以“东兰、巴马、凤山”为中心的桂西山区和沿海地区三个暴雨集中度高值区，暴雨集中度异常大小基本反映发生洪涝和干旱灾害的严重程度。经过2020—2023年气候预测试验，粒子群-神经网络算法预测效果最好，其次为随机森林算法，第三是逐步回归方法。

基于集合预报优选台风路径订正技术的广西风雨预报研究

梁依玲, 梁存桂, 韩慎友, 李佳颖, 翟舒楠 — 2024年09月15 00:00

利用2017—2019年欧洲中心全球集合预报数据以及中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径数据集，基于统计分析和集合预报释用技术，对影响广西的台风路径预报提出一种实时订正技术。通过优选N个误差较小的集合预报成员，生成台风路径订正产品、台风概率匹配平均降水产品和台风大风合成分析产品。结果表明，利用优选集合成员的算术平均模型预报台风路径比集合预报平均、确定性预报效果改善，且预报时效越长，改善效果越明显，24 h、48 h时效的台风路径预报误差比集合平均减小4 km和6 km，比确定性预报减小5 km和19 km；优选集合成员的概率匹配平均降水产品，在一定程度上能改善传统的集合平均降水产品，特别是对大暴雨落区预报，36 h、60 h时效大暴雨TS评分较集合平均提高10%和12%；优选集合成员的大风合成分析产品，能预报出台风影响时极大风区移动、增强、减弱的态势，36 h时效6、7、8级以上极大风的TS评分较集合平均提高18.3%、15.7%、13.4%，对9～11级以上的极大风有一定的预报能力。

广西区域性暴雨深度神经网络预测模型设计与应用

覃月凤, 董良淼, 刘国忠, 梁存桂, 杨明鑫 — 2024年09月15 00:00

遵循AI技术典型应用流程，从确定研究对象的数据表示开始，探讨从测试选用算法工具构建“区域性暴雨”深度学习预测模型，到调整优化模型超参数、对模型性能进行泛化增强，最终实现上线部署，成功对2023年广西“龙舟水”过程作出合理预测。结果表明，结合实际预报服务需求，在深入理解算法和模型架构特点基础上，选用能够模拟天气分析过程、合理解释预测机理的AI算法，可显著增强模型的实用性能。采用TimeDistributed层对样本时间层进行封装，先提取学习气象要素场空间特征和关联特征后再进一步学习时间变化知识，是一种符合天气分析思路且预测性能较好的气象AI模型构建方法。而针对“小概率”气象关注事件，在设定事件标签时适当降低气象评判指标、基于相似天气形势来增强样本数据，引导模型针对关注目标进行正向增强训练，是提升气象AI模型性能的有效技术手段，实现一个“有/无区域性暴雨发生”定性预报的基础分类模型。

基于最优TS评分的多模式集成降水预报

2024年09月15 00:00

利用2020年1月1日至2023年1月2日欧洲中心、美国、德国、中国和日本降水预报资料和眉山市的逐日降水观测资料，用最优TS评分法对模式降水进行订正，再使用概率匹配平均、消除偏差集成平均和加权集成平均三种方案进行多模式集成预报，通过检验评分和个例分析。结果显示，概率匹配平均方案提升晴雨准确率，但对大雨和暴雨的预报效果差。消除偏差集成平均方案对降水预报的提升效果较小。加权集成平均方案和分类站点集成预报均能大幅提升晴雨准确率，并减小暴雨漏报，使暴雨TS评分得到较大提升。

基于K-均值聚类法和EOF分析的贵港市台风暴雨特征分析

蒙金凤, 龙俊宇, 梁虹, 梁毅进 — 2024年09月15 00:00

利用实况观测资料、中国气象局台风最佳路径数据集，采用K-均值聚类法，结合经验正交函数(EOF)分析方法，分析研究2010—2023年间影响贵港市的65个台风造成的暴雨特征。结果表明：(1)有39个台风造成暴雨，每年平均有2.8次台风暴雨，7、8月是台风暴雨的集中期，港南区南部、覃塘区中西部及桂平北部山区台风暴雨多且高发。(2)根据K-均值聚类分析，将65个台风分为A、B、C类。A、B类台风源地为西北太平洋，C类台风多来自南海。A、B类台风以西北行为主，C类台风路径复杂且在北部湾活跃。B类台风强度最强，C类台风强度最弱。(3)根据贵港市三类台风暴雨第一特征向量空间分布情况分析，A、B类台风暴雨年降雨量表现为全市普遍偏多或者普遍偏少分布型式，C类台风暴雨的年降雨量变化趋势主要为桂平东北部、南部和平南西北部偏多，其余地区偏少，或者桂平东北部、南部和平南西北部偏少，其余地区偏多。

广西台风灾害的暴露度和脆弱性特征

2024年09月15 00:00

利用2001—2020年广西台风灾害灾情和人口、社会经济数据，统计分析广西台风灾害农作物、人口和经济的暴露度和脆弱性特征。结果表明：（1）2011—2020年，广西年均台风灾害受灾人口、农作物受灾面积、直接经济损失分别比上一个10 a平均减少57.3%、6.7%、1.7%，但极端灾害时有发生。（2）2011—2020年，广西台风灾害暴露度地域差异性较大。年均农作物暴露度高值区主要分布在桂中，桂西北最低。年均人口暴露度高值区主要分布在南宁、柳州、桂林和北海等人口密集的城市中心及桂东南地区，桂西北较低。经济暴露度分布特征与人口暴露度相似。（3）2011—2020年广西台风灾害的多年平均农作物、人口和经济脆弱性分别为4.4%、5.19%和0.21%。农作物和经济脆弱性较高的地区分布在沿海地区和崇左市，人口脆弱性较高的区域分布在桂南地区。2016—2020年与2011—2015年相比，整体均在减小。沿海地区和崇左市需重点防范台风灾害，提高防灾减灾能力，降低灾害风险。

广西夏季昼夜降水特征及其差异成因分析

杨明鑫, 林振敏, 曾小团, 梁依玲, 梁存桂, 周亦靖 — 2024年09月15 00:00

利用广西89个国家气象站1979—2022年逐日降水观测数据，分别从昼、夜不同量级的降水量、降水日数的空间分布以及对总降水量的贡献率等方面，对广西昼夜降水变化及其差异特征进行研究，并利用再分析资料对导致广西降水昼夜差异的成因进行探究。结果表明：（1）在降水量和降水日数上，广西沿海地区昼夜均偏多，其余地区日间呈“桂南多，桂北少”，夜间呈“桂南少，桂北多”分布特征，且在不同量级降水中均有体现。（2）广西地区日间降水量对总降水量的贡献率高于夜间，但暴雨量级的贡献率则是夜间大于日间。（3）暴雨量级的夜间降水强度大于日间，且呈显著增大趋势（0.72 mm·a^-1）。（4）夜间更强的偏南风、上升运动以及水汽辐合，利于桂北降水产生。（5）广西地区水汽主要以由南至北的经向输送为主，且夜间水汽输送强于日间。

1971—2023年广西冰雹日数和范围的气候特征分析

2024年09月15 00:00

利用广西88个国家气象观测站1971—2023年逐日冰雹观测资料，采用线性趋势、低通滤波、小波分析等方法，分析广西冰雹日数和范围的变化特征，定义广西冰雹过程及综合指数，综合评价冰雹过程的持续时间和影响范围。结果表明:（ 1）1971—2023年，广西年冰雹日数和冰雹站数均呈显著减少趋势，春、冬季冰雹日数和冰雹站数呈减少趋势，夏、秋季呈增加趋势。（2）广西年冰雹日数和冰雹站数阶段性变化特征明显，在20世纪70年代先降后升，20世纪80年代至21世纪00年代波动下降，21世纪10年代后有所回升。年代际尺度上，冰雹日数存在12~16 a的变化周期，冰雹站数存在10~16 a和16~20 a的变化周期。（3）广西冰雹过程综合指数排在前十位的过程有6次发生在20世纪70年代至80年代，20世纪90年代有1次，其余3次发生在21世纪10年代后。

贺州市暴雨变化特征及降水极值重现期研究

韦小雪, 欧阳家萌, 黄远盼, 李芷霓, 潘春江 — 2024年09月15 00:00

利用贺州市132个气象站点逐日降雨量资料，通过ArcGIS和MuDFiT分析贺州市暴雨时空变化特征和不同重现期降雨极值的分布特征。结果表明：（1）贺州市年平均暴雨日数和年平均大暴雨日数大值区分布与迎风坡、水汽充足处相对应。（2）昭平的暴雨日数和大暴雨日数均为贺州市各县中最多，在5月和6月相对较多。（3）昭平100年一遇1日降雨量为315.6 mm，富川为257.5 mm，钟山为228.2 mm，贺州为248.1 mm。贺州市1日降雨量的最优函数为Gen.Extreme Value。

谚语“冷在三九、热在三伏”的气象学验证

2024年09月15 00:00

基于1961—2020年中国大陆七个行政区域585个气象观测站日平均温度、最低气温、最高气温的频率和时空分布特征，进行谚语“冷在三九、热在三伏”的适用性分析和验证。结果表明，中国冬季气温最低值主要发生在“一九”至“六九”时段，在“三九”时段的发生频率最大为25.8%。结合日最高温度和平均温度分析，“热在三伏”发生频率为61.2%。受纬度和地形影响，整体呈现中部高南北低的特征。

城市化对山东省和福建省气温变化影响的对比分析

2024年09月15 00:00

以山东和福建为研究区，基于气象站气候观测数据及ERA5-land再分析数据，采用变化趋势分析、观测减再分析（Observation Minus Reanalysis,OMR）和对比分析等方法，在区域尺度上探讨不同气候背景下城市化引起的局地升温差异。结果表明，1987—2017年山东省台站年平均气温平均变化率略高于福建省，分别为0.38℃·（10a）^-1和0.33℃·（10a）^-1，但两省各季节气温变化趋势存在很大差异。城市化对山东省年和各季节T_mean变化的影响均大于福建省，北方相对干旱且较长的日照时间更利于城市热岛形成，这是导致上述差异的重要原因。此外，城市化对两省秋、冬季节T_mean变化的影响较春、夏季节更大，这与秋、冬季节相对干旱且静稳的气候特征有关。山东省城市化升温幅度的季节性差异较福建省大，可能与北方地区季节气候波动更大有关。

基于空间数据的天气雷达反射率强度一致性分析方法

2024年09月15 00:00

为了解决传统雷达反射率强度一致性分析与评估中数据展示不直观、分析方法不系统、分析效率较低等问题，提出一种基于空间数据的天气雷达反射率强度一致性分析新方法。通过空间数据库构建，获得雷达反射率强度平均偏差辐射图，并以广西及周边雷达为例开展了实例应用分析。结果表明，利用平均偏差辐射图可以直观地从宏观上评估多部雷达之间的反射率强度一致性关系，从而快速锁定可能存在问题的雷达，为台站开展整改提供重要参考，可有效用于雷达反射率强度一致性评估和雷达反射率强度一致性整改效果评估。

基于风雨综合指数的广东省晚稻台风致灾危险性评估

2024年09月15 00:00

利用1995—2022年登陆或影响广东省中南部16个地市的台风过程资料、气象站风雨资料以及晚稻单产数据，建立晚稻减产率测算模型和融合风、雨因子的晚稻台风致灾危险性评估模型，评估广东省中南部16个地市的晚稻台风致灾危险性。结果表明：（1）1995—2022年，每年平均有6.6个台风登陆或影响广东中南部地区，以0.8个·(10a)^-1的速率呈波动减少趋势。（2）晚稻减产率测算模型和台风致灾危险性评估模型可较好地反映各地市晚稻单产减产和台风致灾情况，特别是2002、2013、2017、2018年等台风重灾年表现极佳。（3）各地市晚稻生产受台风影响程度不一，其中湛江、阳江、江门、中山、珠海、汕尾是晚稻台风致灾高风险区，茂名、佛山、惠州、揭阳、汕头和潮州为中等风险区，云浮、肇庆、广州和东莞是低风险区。

桂西喀斯特区植被覆盖度变化趋势及其地形效应

2024年09月15 00:00

利用2000—2020年MODIS卫星遥感资料和数字高程模型（DEM），运用趋势分析和地形效应的方法，以桂西喀斯特区百色市为研究区，探讨桂西喀斯特地区植被变化的高程、坡度和坡向等因素的空间差异性。结果表明：（1）桂西喀斯特区百色市植被覆盖度总体状况良好。以中度植被覆盖度（59.19%）和中高度植被覆盖度（37.71%）为主，两者面积变化明显，前者区域面积减少33.2%，后者区域面积增加29.8%。中低度植被覆盖度仅为2.10%。（2）地形因子对桂西喀斯特区植被生态的影响明显。在地势低、坡度小的平坦区域和地势高、坡度大的陡峭区域，植被覆盖度以减少为主导，在地势较高，坡度2°～15°的区域，植被覆盖度变化以增加为主导。地形从阴坡过渡到阳坡，植被覆盖度的恢复趋势有所提升，但在幅度上表现得相对较为平缓。

眉山市晚熟柑橘园土壤水分动态变化及对不同降雨量的响应

2024年09月15 00:00

基于2023年6—9月眉山市晚熟柑橘智慧气象数字试验基地土壤水分小时观测数据，分析0～40 cm各层土壤水分时空动态变化及其对不同量级降雨的响应，确定各层土壤水分的响应阈值，并构建降雨量与土壤水分增量的对数模型。结果表明，土壤水分随土层深度呈先增加（10～20 cm层）、后减少（20～30 cm层）、再增加（30～40cm层）的趋势。10 cm、20 cm、30～40 cm土层降雨响应的阈值分别为4 mm、12 mm、20 mm，大雨量级及以上降雨事件将明显对0～40 cm各层土壤水分响应。降雨量与0～40 cm各土层土壤含水量均呈极显著相关关系，4个观测层对数函数相关系数R²值范围处于0.436～0.585（R²＞0.4）。该研究结果可为晚熟柑橘优质生长、节水灌溉提供技术支持。

基于拉格朗日随机游走模型的水稻花粉扩散模拟

王勇 — 2024年09月15 00:00

根据5m×5m (T1)、10m×10m (T2)和15×15m (T3)的花粉源尺寸，利用基于拉格朗日随机游走的水稻花粉扩散模型研究水稻花粉在花粉源区的沉降量和面源花粉浓度累加值。结果表明：（1）花粉沉降量的实测值与模拟值之间的相关性较好，对于优化后的拉格朗日随机游走水稻花粉扩散模型切实可行。（2）水稻花粉沉降量一开始先急剧上升，之后保持平稳缓慢增加，在源区外呈负指数形式规律递减。随着花粉源尺寸增大，风对水稻花粉扩散的影响更显著，即风对大尺寸花粉源相比于小尺寸的花粉源影响更大。（3）随着花粉源尺寸的增大，花粉面源的浓度累加值是增大的，这种变化的趋势是先急剧增加然后逐渐趋于平缓。

2022年贵港市臭氧潜在源区及传输路径季节特点分析

2024年09月15 00:00

为了揭示贵港市2022年臭氧（O₃）不同季节的传输规律和污染来源，利用MeteoInfo软件后向轨迹模式，结合O₃小时浓度数据，对2022年贵港市各季节500 m高度逐日72 h后向轨迹进行深入分析，并使用潜在源区贡献分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）对贵港市O₃的潜在贡献源区和贡献大小进行研究。结果表明：①贵港市各季节近地层大气污染输送以长距离输送为主，东北方向的长距离输送对O₃浓度影响最大。②河南、湖北、湖南及广西贵港周边地区是主要的O₃潜在源区，秋季的潜在源区范围最广。③贵港市O₃污染来源为区域传输和本地排放，区域传输以河南、湖北、江西、湖南的贡献较大，本地污染受贵港北部影响较显著。

基于OpenGIS的气象信息可视化服务技术研究与应用

2024年09月15 00:00

针对当前气象服务中产品可视化能力不足、数据共享难、服务推广难、重复开发造成资源浪费等问题，采用PostGIS、GeoServer等软件及网络地图服务技术，构建基于OpenGIS的气象信息可视化服务平台，实现对多源异构气象服务数据的实时可视化图层服务及标准化接口调用共享。结合城市内涝服务场景应用需求，开发多种可视化图层服务，经实际业务实践，具有较好的应用能力。

天津市大城市气象服务效益评估——以2022年为例

2024年09月15 00:00

针对天津市道路交通、港航、能源行业，通过调研等方法，从行业气象服务的现状、各行业部门对气象服务产品的需求以及评价等方面量化评估大城市气象保障服务效益。结果显示，行业部门对气象部门提供气象预报和气象预警的准确性、及时性、完整性满意度较高，气象服务在行业防灾减灾和产能增效两方面获得良好的社会和经济效益。