ISSN 1004-4965

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人工智能大模型对2024年长江中下游梅雨的预测评估

曹欣沛 梁萍 黄文娟 张志琦 巩远发

曹欣沛, 梁萍, 黄文娟, 张志琦, 巩远发. 人工智能大模型对2024年长江中下游梅雨的预测评估[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1045-1062. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.092
引用本文: 曹欣沛, 梁萍, 黄文娟, 张志琦, 巩远发. 人工智能大模型对2024年长江中下游梅雨的预测评估[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1045-1062. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.092
CAO Xinpei, LIANG Ping, HUANG Wenjuan, ZHANG Zhiqi, GONG Yuanfa. Evaluation of AI Model Predictions for the 2024 Meiyu Season in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1045-1062. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.092
Citation: CAO Xinpei, LIANG Ping, HUANG Wenjuan, ZHANG Zhiqi, GONG Yuanfa. Evaluation of AI Model Predictions for the 2024 Meiyu Season in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1045-1062. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.092

人工智能大模型对2024年长江中下游梅雨的预测评估

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.092
基金项目: 

国家自然科学基金项目 42175056

国家自然科学基金项目 U2342208

上海市自然科学基金项目 24ZR1492500

上海市自然科学基金项目 23YF1440100

中国气象局重点创新团队 CMA2023ZD03

详细信息
    通讯作者:

    梁萍,女,江西省人,研究员级高级工程师,主要从事季风气候预测研究。E-mail:liangping1107@163.com

  • 中图分类号: P456.3

Evaluation of AI Model Predictions for the 2024 Meiyu Season in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River

  • 摘要: 目前,人工智能大模型对长江中下游降水的次季节预测效果尚不清楚。采用三个人工智能气象大模型(Pangu-weather、Fuxi和FourCastNet)与欧洲中心次季节-季节模式(EC-S2S)预测资料,以2024年长江中下游梅雨为例,在诊断其降水及其环流演变的基础上,利用相关技巧、功率谱分析等方法,对比评估了气象大模型与欧洲中心S2S模式(EC-S2S)对该年梅雨降水、背景场变量及其低频振荡分量的预测效果,并与传统的EC-S2S模式进行了比较。结果表明:(1) 2024年6月第4候,受西太平洋副热带高压北抬和北侧西风槽发展南伸影响,长江中下游进入梅雨期。此后,梅雨及其相关联的夏季风、冷空气影响和湿度变化均呈现显著的准双周振荡。(2) 三个大模型与EC-S2S模式都能提前10 d较好地预测梅雨相联系的副高和西风槽的演变活动。当预测时效超前11 d时,三个大模型与EC-S2S模式预测对梅雨环流形势的预测不确定性增加,其中仅Pangu模型和EC-S2S模式超前16—20 d的预测能反映出长江中下游南北两侧的冷暖空气活动。(3) FourCastNet、Fuxi两个模型和EC-S2S模式能提前11—15 d给出有显著相关技巧的梅雨降水预测,也能提前11—15 d反映梅雨区降水及其相关联环流的准双周振荡特征。EC-S2S模式对降水量的预测优于大模型,但其准双周振荡功率谱值弱于大模型。Pangu、FourCastNet和EC-S2S模式能提前16—20 d预报长江中下游南侧的夏季风和北侧西风槽活动的准双周振荡影响。尽管大模型在超前半月以上的梅雨环流预测上存在挑战,但对其低频分量的有效超前预测时效更长,部分要素(如经向风和比湿)预测优于EC-S2S模式,表明从低频振荡这一途径出发开展大模型的次季节预测,可为后续应用和改进大模型的次季节预测提供新思路。

     

  • 图  1  2024年长江中下游区域(沿115~123 °E)梅汛期环流形势时间-纬度剖面实况演变

    a.500 hPa高度场(阴影),红线为纬向风为0等值线;b.2 m温度场(阴影,单位:℃),红线为22 ℃等值线;c.850 hPa风矢量(单位:m·s-1),阴影区域为大于2 m·s-1经向风;d. 日降水量(单位:mm)。

    图  2  关键区的各气象要素区域平均时间序列实况功率谱分析

    a.500 hPa高度场;b.850 hPa经向风;c.相对湿度;d.日降水量。实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  3  三个气象大模型(Pangu、Fourcastnet、Fuxi)与EC-S2S模式超前1—5 d、6—10 d、11—15 d、16—20 d预测的2024年梅汛期长江中下游区域(沿115~123 °E)500 hPa位势高度演变

    图  4  两个气象大模型(Fourcastnet、Fuxi)与EC-S2S模式超前1—5 d、6—10 d、11—15 d、16—20 d预测的2024年梅汛期长江中下游区域(沿115~123 °E)降水演变

    图  5  FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游区域降水量变化的功率谱

    图l为降水实况功率谱,实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  6  FourCastNet与Fuxi大模型超前不同时效预测的长江中下游区域相对湿度变化的功率谱

    图h为相对湿度实况功率谱,实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  7  Pangu大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游区域比湿变化的功率谱

    图i为比湿实况功率谱,实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  8  Pangu、FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游以北区域上空的500 hPa位势高度变化的功率谱

    图p为位势高度实况功率谱实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  9  Pangu、FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游区域低层850 hPa经向风变化的功率谱

    图l为经向风实况功率谱实线表示功率谱,红虚线表示红噪声,蓝虚线表示95%显著性水平。

    图  10  Pangu、FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游梅雨北侧关键区500 hPa位势高度

    红色实线,蓝色实线为观测)及其低频分量(红色虚线,蓝色虚线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值。

    图  11  Pangu、FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游梅雨南侧关键区500 hPa位势高度

    红色实线,蓝色实线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值。

    图  12  FourCastNet与Fuxi大模型超前不同时效预测的长江中下游梅雨关键区850 hPa相对湿度(红色实线,蓝色实线为观测)及其低频分量(红色虚线,蓝色虚线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值)

    图  13  Pangu大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游梅雨关键区850 hPa比湿(红色实线,蓝色实线为观测) 及其低频分量(红色虚线,蓝色虚线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值)

    图  14  Pangu、FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游梅雨区2 m温度

    红色实线,蓝色实线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值。

    图  15  FourCastNet、Fuxi大模型与EC-S2S模式超前不同时效预测的长江中下游梅雨区降水量(红色实线,蓝色实线为观测)及其低频分量(红色虚线,蓝色虚线为观测,图例中cor为相关系数,p为显著性检验p值)

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-09
  • 修回日期:  2024-11-18
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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