ISSN 1004-4965

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当期目录

2022年 第38卷  第4期

目次
封面目次
2022, 38(4)
摘要:
论著
人工智能新技术在国家气象中心台风业务中的应用探索
周冠博, 钱奇峰, 吕心艳, 刘春霞, 徐雅静
2022, 38(4): 481-491. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.043
摘要:
基于2005—2020年的中国气象局台风最佳路径数据集以及葵花(Himawari-8)和风云(FY-4)卫星云图数据,结合人工智能新技术,将深度学习模型应用于台风涡旋识别、台风定位定强、台风强度突变预测等方面,具体内容主要包括基于深度图像目标检测的台风涡旋识别模型、基于图像分类和检索的台风智能定强模型以及融合时空序列特征的台风快速增强判别模型,构建了一套台风智能监测和预报系统。通过对2020年全年样本进行了测试,结果显示:该系统对强热带风暴级及以上强度的台风涡旋正确识别率达90%以上,台风强度估测的MAE和RMSE分别为3.8 m/s和5.05 m/s,对全年独立样本强度快速加强预测的综合准确率达到65.3%,该系统实现了业务上利用高时空分辨率卫星图像实时对热带气旋进行自动识别、定位定强和智能追踪的功能,为进一步提高我国台风监测和预报预警的能力提供了有利支撑。
基于深度图像目标检测的智能台风涡旋识别技术
吕心艳, 钱奇峰, 王登科, 周冠博, 徐雅静
2022, 38(4): 492-501. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.044
摘要:
基于2005—2020年的中国气象局台风最佳路径数据集以及葵花(Himawari)8和风云(FY)卫星云图数据,首先将卫星原始数据转换为FULLDISK灰度图像作为台风涡旋识别技术的图像来源,并制定新的VOC (Visual Object Classes)标注规范,构建了样本标注数据集。利用运行速度快、识别准确率高的人工智能领域经典目标检测SSD(Single Shot MultiBox Detector)模型作为台风涡旋识别的基础模型,并针对台风涡旋识别的独特性,特别是弱涡旋识别困难,提出一种迭代的SSD目标检测模型,明显提高了台风涡旋的识别精度。通过目标检测技术对卫星云图进行智能特征分析、抽取、识别和定位,实现了自动涡旋正确识别和定位,最终建立了智能台风涡旋识别技术。测试结果显示:该技术对强热带风暴级以下强度台风涡旋正确识别率为40%~80%,对强热带风暴级及以上强度台风涡旋正确识别率达90%以上,能够精准识别强台风级及以上强度涡旋,该技术为今后业务利用高时空分辨率卫星图像对台风进行实时精密监测提供了技术支撑。
台风登陆过程中南海近海阵风因子特征
毕雪岩, 刘春霞, 黄健, 赵中阔
2022, 38(4): 502-510. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.045
摘要:
阵风预报对于输电铁塔线路设计、风力发电、建筑和桥梁设计以及航空气象安全等至关重要。目前,基于不同观测资料和计算方法,学者们给出了不同的阵风或阵风因子参数化公式,没有公认的一致结果。利用中国气象局南海(博贺)海洋气象科学试验基地离岸4.5 km和6.5 km的两个海洋气象观测塔在2008—2018年七个台风期间观测的10 Hz高频湍流脉动数据,分析了观测高度、平均时间、下垫面特征和大气稳定度对阵风因子计算结果的影响,研究了近海海上台风过程中阵风因子与平均风速和湍流特征参数的关系。不同于以往研究给出阵风因子是常数,给出了阵风因子随10 m风速变化的计算公式,为阵风预报及相关防灾减灾提供参考依据。
台风网格风场主客观融合技术的应用及评估
杨国杰, 唐思瑜, 程正泉, 谢蜀剑
2022, 38(4): 511-520. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.046
摘要:
针对实际预报工作中,台风主观预报和模式风场客观预报不一致的问题,基于南海台风模式(CMATRAMS)资料、实时台风主观预报资料,采用一种考虑下垫面作用的动力解释应用方法TCwind,得到了能较合理描述台风风场的数学方程组,结合网格预报技术,进行台风主观预报和模式风场的主客观融合,实现了台风风场预报的订正,能为网格预报提供有效辅助。以实时台风主观预报为评判标准,检验评估了2018—2019年西北太平洋所有台风的融合订正效果,发现订正后的台风风场中心能较准确地向主观路径预报调整;台风中心附近最大风速相较模式显著增强,趋近主观强度预报;台风环流风速比模式原始风速增大,风场结构分布相比模式原始风场也更合理。
珠江河口风暴潮对径流的敏感性研究:以台风“山竹”为例
罗志发, 谭超, 黄本胜, 邱静, 黄广灵
2022, 38(4): 521-528. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.047
摘要:
径流-风暴潮相互作用可增大河口区风暴潮增水,增加风暴潮灾害风险。基于SCHISM模式建立了珠江河口风暴潮数值模型,以台风“山竹”为例,采用实测资料对模型计算结果进行验证,最高潮位相对误差在9%以内。设计了台风“山竹”实测径流与5年一遇洪水的对比试验,讨论了径流变化对河口风暴潮增水的影响,结果表明:河口口门站位风暴潮增水随径流量的增大而增大。径流增加对泗盛围、南沙等站位的风暴潮影响较大,在风暴潮增水达到最大值时影响最为显著。以径流动力作用为主的区域,当上游径流量增大时,对风暴潮增水起到负影响作用:如磨刀门水道,随着径流的增加,沿河道上溯的风暴潮增水逐渐减小,由灯笼山站3.22 m减小至马口站1.12 m。以潮汐动力作用为主的区域,当上游径流量增大时,对风暴潮增水起到正影响作用:如珠江干流,随着径流的增加,沿河道上溯的风暴潮增水逐渐增大,大虎站的最大增水值为3.44 m,中大站为4.24 m,从口门至后航道区域增大了0.8 m。
南海温盐流数值产品构建及评估
谢波涛, 尹汉军, 朱宇航, 彭世球, 李毅能, 程高磊
2022, 38(4): 529-540. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.048
摘要:
基于区域海洋模式ROMS构造了一套覆盖中国南海的40年(1980—2019年)温盐流数值产品OCEAN_SCS。OCEAN_SCS的变量包含了温度、盐度、流速、流向以及海表高度。OCEAN_SCS的水平空间分辨率为0.1°×0.1°,垂向分层40层(0~5 000 m),时间分辨率为1小时,包含潮汐信息。利用独立的观测资料对OCEAN_SCS进行了初步评估,评估对象包括温度、盐度、海表高度、海流、潮位和增水。在不包含资料同化的前提下,OCEAN_SCS的模拟精度达到了较高的水准。OCENA_SCS的构建将为南海海洋环境的研究提供数据支撑,并服务于南海海洋环境保障。
风能输入参数对珠江口波浪模拟的影响
李少钿, 李毅能, 李骏旻, 张志旭, 刘春霞, 彭世球
2022, 38(4): 541-553. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.049
摘要:
珠江口是粤港澳大湾区的核心区域,台风、风暴潮和巨浪等海洋灾害频发,对沿岸人民的生命财产安全构成严重威胁。准确的高分辨率波浪模拟/预报对区域经济建设和防灾减灾具有重要意义。波浪预报/模拟的质量很大程度上取决于风能输入的误差。本研究基于WAVEWATCH Ⅲ(WW3)的南海-珠江口双重嵌套精细化海浪模式,探讨不同的风场产品与风能输入参数方案组合对珠江口波浪动力过程模拟的影响,确定最优的风场和参数方案组合。ERA5风场更适合珠江口海域的风浪模拟,其模式结果略优于采用CFSR风场的模式结果。ERA5风场+T500方案的组合对珠江口波高变化过程的模拟效果最好,ERA5风场+T471方案的组合次之,ERA5风场+ST6方案再次之。CFSR风场与T471f参数方案最为适配,其结果稍差于ERA5风场+ST6参数方案。T500方案调整高风速下的风能输入和涌浪对风能输入的反馈作用,并考虑水深引起的波浪破碎效应,更适合水深限制的珠江口浅水区域。另外,WW3模式开关ST4的参数方案的表现优于开关ST6的参数方案。
南海台风边界层湍流小波分析
涂朝勇, 赵中阔, 黎伟标, 陈淑敏, 陈逸伦, 张奡祺
2022, 38(4): 554-568. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.050
摘要:
利用小波变换(WT)对香港天文台飞机观测台风“妮妲”(1604)资料进行分析,研究在不稳定、不均匀的台风边界层中湍流涡旋的垂直传输作用。在0.1~5 Hz惯性子区内横风和顺风分量功率谱密度能较好符合-5/3幂律。小波分析显示:横风的小波功率谱峰值集中在1 km之下,顺风分量的小波功率谱峰值集中在1~6 km之间;眼区动量通量的主要贡献尺度为2.3 km,眼区外主要贡献尺度在1~2 km,中低层为较小尺度(< 1.0 km);湍流功能(TKE)的生成尺度主要集中在4 km之下。这项研究定量描述了南海北部台风边界层各个区域湍流结构的差异特征,讨论了对台风边界层通量参数化的可能影响。
HRCLDAS-V1.0和ERA5海面风场对比评估分析
渠鸿宇, 黄彬, 赵伟, 宋佳凝, 郭乙莹, 胡海川, 曹越男
2022, 38(4): 569-579. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.051
摘要:
基于2020年中国近海31个浮标的逐小时数据,使用统计分析方法对中国气象局高分辨率陆面数据同化系统(HRCLDAS-V1.0)和欧洲中期天气预报中心第5代全球大气再分析数据(ERA5)海面风场进行了系统的检验,检验结果表明:两者在我国近海均具有较高的可信度,风速平均绝对误差(MAE)分别为1.16 m/s和1.09 m/s,风向MAE分别为23 °和22 °。随着风力增大两者的风速准确度均有所降低,当风力等级≥10级时,前者准确度优于后者;对于风向而言,随着风力增大,两者准确度均升高。此外,选取2020年典型的两次冷空气过程和2008号台风“巴威”过程,检验两者在不同天气过程影响下的准确度,两类融合产品均能较好地再现冷空气过程引起的风向变化,而对不同强度的冷空气过程下的风速反映存在差异;对于台风引起的大风,在风速较低时两者风速均具有不错的表现,但HRCLDAS-V1.0对峰值强度的表现优于ERA5。
雷州半岛一次典型局地暴雨成因分析
张仲, 刘春霞
2022, 38(4): 580-590. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.052
摘要:
利用ERA5再分析资料和实况资料,对发生在广东湛江的雷州半岛的一次典型局地暴雨进行对比分析和敏感性试验研究。结果表明:此次局地暴雨是由雷暴单体所造成,ERA5资料作为初始场能较好地模拟出高分辨率局地暴雨的生消过程、降水中心和主要降水时段。通过敏感性试验进一步研究发现,雷州半岛局地暴雨的关键是大气中水汽含量。减少雷州半岛土壤湿度,导致显热通量增大,潜热通量减少,增加雷州半岛土壤湿度,导致潜热通量增大,显热通量减少,但潜热通量和显热通量之和与参照试验基本相同,局地暴雨依然触发,土壤湿度不能决定局地暴雨触发与否,仅通过显热通量的大小提前或滞后触发局地暴雨。雷州半岛三面环海的海陆分布,下垫面非均匀加热,陆地相当于热源,对雷州半岛局地暴雨触发有决定性作用。
渤黄东海40年水位模拟与分析
朱海山, 尹汉军, 程高磊, 李少钿, 朱宇航, 彭世球
2022, 38(4): 591-599. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.053
摘要:
基于1980—2019年数值模拟的水位和ERA5的风速数据,使用EOF分析方法,研究了渤黄东海40年的水位变化特征和动力机制,分析了气候变化和极端天气对水位变化产生的影响。EOF分析主要模态结果显示,东海东北部海域的水位变化受黑潮路径改变的影响比较明显,并存在一定的时间延迟;台湾岛东北部的水位变化受到黑潮入侵影响,与ENSO变化呈现一定相关性。研究区风速的EOF分析结果显示,年际变化受ENSO的影响显著,并影响了渤黄东海部分区域的水位变化。
热带气旋影响下深圳地区闪电特征研究
马超怡, 李晴岚, 朱港亚, 陈申鹏, 唐小新, 李兴荣
2022, 38(4): 600-610. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.054
摘要:
研究热带气旋影响下广东省深圳地区的闪电特征及规律。利用2012—2019年西北太平洋热带气旋历史数据,筛选出2012—2019年距离深圳市国家气象基本站1 000 km内的热带气旋,按热带气旋强度等级进行分组。并利用同时期深圳地区闪电、温度观测数据,研究不同等级热带气旋在不同距离、方位角情况下,深圳地区的闪电特征。发现热带气旋影响下深圳地区闪电年际差异很大,一年中7月和8月深圳地区闪电活动最活跃。热带气旋对深圳地区闪电活动影响大的距离大多为400 km以外,即深圳处于热带气旋的外围雨带。总体上在台风季,TD、TS、STS较易引发深圳地区的闪电,尤其是当TS位于福建地区,距离深圳400~600 km时,极易给深圳地区带来闪电影响。研究结果可为深圳地区的防台减灾工作提供科技参考。
短论
最优TS评分方法在逐时降水订正中的初步应用及评估
刘段灵, 陈超
2022, 38(4): 611-620. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.055
摘要:
使用2020年3—9月逐时更新的CMA广东短临3 km数值模式(CMA-GD(R3)模式)1~12 h逐小时降水量资料,利用最优TS评分订正方法(OTS)对逐小时降水量进行分级订正,并分别从整体和分类型降水过程预报订正效果进行了检验和对比评估。结果表明:从整体预报订正性能来看,通过OTS方法对CMA-GD(R3)模式订正后,对于≥1 mm/h及以上量级的降水,OTS均有较好的订正能力,并且随着雨强的增加,其TS评分的改善比率越大;同时,OTS可有效减少各个预报时效的漏报率和空报率,其中漏报率减小更加明显,表现出明显的湿偏差(空报偏多)。从三类暴雨过程逐时降水预报订正效果来看,通过OTS订正之后,对于≥1 mm/h的降水,OTS对三类暴雨类型均有正的订正能力。其中在0.1 mm、1 mm、10 mm、20 mm、35 mm、50 mm 6个量级上,季风型的逐时降水预报表现最好,6个量级的TS评分值分别为0.403、0.232、0.053、0.023、0.009和0.004;在5 mm量级上锋面型的逐时降水预报表现最优,其TS值为0.102。从改善效果来看,经过OTS订正后,在1 mm量级上台风型改善率最大,在5 mm和10 mm量级上锋面型改善率最大,在20 mm、35 mm和50 mm量级上季风型改善率最大。