ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于融合TC-WREM模型的热带气旋大风半径估算研究

周必高 鲁小琴 吴贤笃 仇欣 谢海华 朱忠勇 郑建琴

周必高, 鲁小琴, 吴贤笃, 仇欣, 谢海华, 朱忠勇, 郑建琴. 基于融合TC-WREM模型的热带气旋大风半径估算研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(5): 736-744. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.065
引用本文: 周必高, 鲁小琴, 吴贤笃, 仇欣, 谢海华, 朱忠勇, 郑建琴. 基于融合TC-WREM模型的热带气旋大风半径估算研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(5): 736-744. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.065
ZHOU Bigao, LU Xiaoqin, WU Xiandu, QIU Xin, XIE Haihua, ZHU Zhongyong, ZHENG Jianqin. Research on the Estimation of Tropical Cyclone Gale Radius Based on a Fusion TC-WREM Model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(5): 736-744. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.065
Citation: ZHOU Bigao, LU Xiaoqin, WU Xiandu, QIU Xin, XIE Haihua, ZHU Zhongyong, ZHENG Jianqin. Research on the Estimation of Tropical Cyclone Gale Radius Based on a Fusion TC-WREM Model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(5): 736-744. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.065

基于融合TC-WREM模型的热带气旋大风半径估算研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.065
基金项目: 

温州市科技局基础公益科研项目 S2023012

南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室基金 LMSWE-2201

上海市2021年度“科技创新行动计划”自然科学基金项目 21ZR1477300

详细信息
    通讯作者:

    鲁小琴,女,上海市人,研究员,主要从事台风结构客观分析技术研究及台风多源数据融合应用。E-mail:luxq@typhoon.org.cn

  • 中图分类号: P435

Research on the Estimation of Tropical Cyclone Gale Radius Based on a Fusion TC-WREM Model

  • 摘要: 利用2001—2020年美国联合台风警报中心(JTWC)热带气旋(Tropical Cyclone,TC)最佳资料数据集和静止气象卫星云图,建立了基于多层感知器神经网络模型(Multi-Layer Perceptron,MLP)和卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)融合的TC大风半径估算模型(TC Wind Radii Estimation Model,TCWREM)。该模型利用MLP和CNN分别对TC属性数据和卫星云图中与TC大风半径相关联的核心特征进行预提取,最终通过融合TC-WREM模型开展大风半径估算。融合的TC-WREM模型能实现对TC属性数据和卫星云图底层特征的深度客观挖掘,较单独的MLP和CNN模型的估算误差降低7%~24%。以TC近地面8级大风半径(R8)估算为例,针对2021年台风“烟花”的独立样本估算检验显示分象限R8估算平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别为39、33、40和51 km,均值为41 km,误差中位值约40 km,优于业务估算精度(为大风半径的25%~40%)及西北太平洋和大西洋同类研究估算结果。由于融合TC-WREM模型的输入为易获取的TC属性数据和静止气象卫星云图,因此该模型易于在业务中进行推广,从而可改善国内TC大风半径估算模型缺乏的现状。

     

  • 图  1  不同时次TC卫星云图增强显示

    a. 2002年7月3日06 UTC;b. 2012年8月25日12 UTC;c. 2018年9月16日06 UTC。

    图  2  融合TC-WREM模型架构图

    图  3  融合TC-WREM模型训练流程图

    图  4  2021年7月18日12时—26日00时“烟花”逐样本R8估算和观测值的对应散点图

    图  5  7个台风R8估算偏差箱图

    图  6  0505台风“海棠”R8估算MAE演变

    图  7  影响华东地区的6个TC不同象限估算AEA箱图

    表  1  TC匹配记录属性数据

    序号 标识(时间-名称) 月份 东经/°E 北纬/°N 最大风速/(m·s-1) 最低气压/hPa NE/km SE/km SW/km NW/km
    1 2001072200- 7 150.3 25.0 20.56 994 111 111 111 111
    2 2001072206- 7 149.6 25.2 23.13 991 120 120 120 120
    3 2001072212- 7 149.0 25.4 25.7 987 111 93 93 111
    …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……
    7 587 2020111418-VAMCO 11 107.9 17.1 43.69 975 259 157 176 278
    7 588 2020111500-VAMCO 11 107.6 7.1 38.55 983 204 130 102 213
    7 589 2020111512-VAMCO 11 105.7 18.4 20.56 996 65 37 46 83
    下载: 导出CSV

    表  2  不同模型对R8各象限的估算性能

    估算模型 MAPE/% AEA/%
    NE SE SW NW NE SE SW NW
    CNN 0.308 0.246 0.279 0.294 69.22 75.43 72.14 71.62
    MLP 0.222 0.185 0.226 0.285 77.83 81.50 77.32 71.50
    TC-WREM 0.211 0.167 0.193 0.283 79.17 84.24 81.72 71.71
    下载: 导出CSV
  • [1] 陈联寿, 丁一汇. 西太平洋台风概论[M]. 北京: 科学出版社, 1979.
    [2] COCKS S B, GRAY W M. Variability of the outer wind profiles of western North Pacific typhoons: Classifications and techniques for analysis and forecasting[J]. Mon Wea Rev, 2002, 130(8): 1 989-2 005.
    [3] GUO X, TAN Z M. Tropical cyclone fullness: a new concept for interpreting storm intensity[J]. Geophysi Res Lett, 2017, 44(9): 4 324-4 331.
    [4] ZHUO J Y, TAN Z M. Physics-augmented deep learning to improve tropical cyclone intensity and size estimation from satellite imagery[J]. Mon Wea Rev, 2021, 149(7): 2 097-2 113.
    [5] DEMUTH J L, DEMARIA M, KNAFF J A, et al. Evaluation of Advanced Microwave Sounding Unit tropical-cyclone intensity and size estimation algorithms[J]. J Appl Meteor Climatol, 2004, 43(2): 282-296.
    [6] DEMUTH J L, DEMARIALM, et al. Improvement of Advanced Microwave Sounding Unit tropical cyclone intensity and size estimation algorithms[J]. J Appl Meteor Climatol, 2006, 45(11): 1 573-1 581.
    [7] DVORAK. Tropical cyclone intensity analysis and forecasting from satellite imagery[J]. AMS Journals, 1975, 103(5): 420-430
    [8] DVORAK V F. Tropical cyclone intensity analysis using satellite data. National Oceanic and Atmospheric Administrator[R]. NOAA Technical Report NESDIS 11, September 1984. NOAA--S/T 84-232. cover page4. Includes, bibliographical references (pages 46-47).
    [9] KNAFF J A, DEMARIA M, MOLENAR D A, et al. An automated, objective, multiple-satellite-platform tropical cyclone surface wind analysis[J]. J Appl Meteor Climatol, 2011, 50(10): 2 149-2 166.
    [10] KNAFF J A, LONGMOE S P, MOLENAR D A. An objective satellite-based tropical cyclone size climatology[J]. J Climate, 2014, 27(1): 455-476.
    [11] KNAFF J A, SAMPSON C R. After a decade are Atlantic tropical cyclone gale force wind radii forecasts now skillful? [J]. Wea And Forecasting, 2015, 30(3): 702-709.
    [12] KNAFF J A, SLOCUM C J, MUSGRAVE K D, et al. Using routinely available information to estimate tropical cyclone wind structure [J]. Mon Wea Rev, 2016, 144(4): 1 233-1 247.
    [13] KOSSIN J P, KNAFF J A, BERGER H I, et al. Estimating hurricane wind structure in the absence of aircraft reconnaissance[J]. Wea Forecasting, 2007, 22(1): 89-101.
    [14] LU X Q, YU H, YANG X M, et al. Estimating tropical cyclone size in the Northwestern Pacific from geostationary satellite infrared images [J]. Remote Sensing, 2017, 9(7): 728.
    [15] LU X Q, WONG W K, YU H, et al. Tropical cyclone size identification over the Western North Pacific using support vector machine and general regression neural network[J]. J Meteor Soc Japan SerII, 2022, 100(6): 927-941.
    [16] ZEILER M D, FERGUS R. Visualizing and understanding convolutional networks[C]//Fleet D, Pajdla T, Schiele B, et al. Computer VisionECCV 2014, Cham: Springer.
    [17] MATSUYU M, MORI K, MITARI Y, et al. Subject independent facial expression recognition with robust face detection using a convolutional neural network [J]. Neural Networks, 2003, 16(5-6): 555-559.
    [18] SAMPSON C R, FLLKADA E M, KNAFF J A, et al. Tropical cyclone gale wind radii estimates for the Western North Pacific[J]. Wea Forecasting, 2017, 32(3): 1 029-1 040.
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  17
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-21
  • 修回日期:  2024-08-18
  • 网络出版日期:  2025-01-08
  • 刊出日期:  2024-10-20

目录

    /

    返回文章
    返回