計算機在天氣預報中的應用.pptx

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計算機在天氣預報中的應用,天氣預報是根據(jù)氣象觀(探)測資料，應用天氣學、動力學、統(tǒng)計學的原理和方法，對某區(qū)域或某地點未來一定時段的天氣狀況作出定性或定量的預測。準確地預報天氣一直是大氣科學研究的一個重要目標。天氣預報的歷史可以從最早的看云識天氣和根據(jù)物像來推測天氣開始，以后經(jīng)歷了單站預報，天氣圖預報，到目前的應用氣象衛(wèi)星、天氣雷達等先進的探測資料和用計算機進行天氣預報的階段。伴隨著科技的不斷進步，天氣預報得到了快速的發(fā)展。,氣象要素表明大氣物理狀態(tài)、物理現(xiàn)象的各項要素。主要有：氣溫、氣壓、風、濕度、云、降水以及各種天氣現(xiàn)象。,南京天氣預報,天氣現(xiàn)象:（1）降水現(xiàn)象：根據(jù)降水物的形態(tài)共分成11種，其中液態(tài)降水有雨、毛毛雨、陣雨，固態(tài)降水有雪、冰粒、米雪、陣雪、霰、冰雹，還有混合型降水有雨夾雪、陣性雨夾雪等。此外，根據(jù)降水性質，分陣性降水、連續(xù)性降水和間歇性降水等三種類型。（2）地面凝結和凍結現(xiàn)象：包括露、霜、霧淞、雨淞等四種。（3）視程障礙現(xiàn)象：包括霧（霧、大霧、濃霧）；輕霧；吹雪；雪暴；煙幕；霾；沙塵暴（沙塵暴、強沙塵暴、超強沙塵暴）；揚沙；浮塵。（4）雷電現(xiàn)象：雷暴、閃電、極光。（5）其它現(xiàn)象：大風、颮、龍卷、塵卷風、冰針、積雪、結冰。,眾所周知，天氣預報所需數(shù)據(jù)量極大，對計算機要求很高，很多巨型機都首先為天氣預報所服務。目前制作天氣預報主要采用天氣學預報方法、統(tǒng)計學預報方法和動力學預報方法，以及由這三種基本預報方法相互結合形成的天氣—統(tǒng)計預報方法、動力統(tǒng)計預報方法和天氣—動力預報方法等。,天氣學預報方法（或稱天氣圖方法）：是以天氣圖為主要工具，配合衛(wèi)星云圖、雷達圖等，用天氣學的原理來分析和研究天氣的變化規(guī)律，從而制作天氣預報的方法。這種方法主要用于制作短期預報。數(shù)值預報方法（又稱動力學預報方法）：是利用大型、快速的電子計算機求解描述大氣運動的動力學方程組來制作天氣預報的方法。這種方法可用于制作短期預報，也可做中、長期預報。近幾年還開始用來做氣候預報。統(tǒng)計預報方法：是采用大量的、長期的氣象觀測資料，根據(jù)概率統(tǒng)計學的原理，尋找出天氣變化的統(tǒng)計規(guī)律，建立天氣變化的統(tǒng)計學模型來制作天氣預報的方法。這種方法主要用于制作中、長期預報和氣象要素預報。,這三種制作天氣預報的方法的主導思想不一樣。天氣現(xiàn)象（或天氣過程）的發(fā)生，包含著必然性和偶然性，統(tǒng)計預報方法是從天氣現(xiàn)象（或天氣過程）具有偶然性這一點出發(fā)，認為天氣變化是一種隨機過程，在相同條件下不一定出現(xiàn)同樣的天氣變化，只能求出某種天氣出現(xiàn)的可能性或概率。天氣學方法和數(shù)值預報方法則從天氣現(xiàn)象（或天氣過程）具有必然性這一點出發(fā)，認為天氣變化不是隨機的，它滿足一定的規(guī)律（如動量守衡、能量守衡、質量守衡等等），在相同的條件下應該發(fā)生相同的變化，根據(jù)大氣某一時刻的狀態(tài)，可以推算出其下一時刻的確定的狀態(tài)。,相似預報方法的基本思路是：假如兩個樣本的天氣形勢和氣象要素場是相似的，那么，它們的天氣發(fā)展過程也相似，所以，從眾多歷史樣本中選取與預報日的形勢及要素場最相似的樣本，把其對應天氣發(fā)展過程作為預報日的天氣預報結論。目前，有不少氣象臺站利用相似技術作預報,雖然基本思路雷同，但由于采用的技術路線不同，其預報效果也不一樣。大多數(shù)相似預報方法都考慮了不同因子場在預報中的重要性的差異，選取與預報對象關系最為緊密的因子場參與相似計算。但是，這些方法都未涉及如何定量描述因子場重要性的問題，也沒有把整個因子場作為一個因子引入預報方程的做法，本文提出了定量化地表征氣象因子場與天氣現(xiàn)象之間關系的相關特征量處理技術和計算方法，同時還提出了用相似系數(shù)和相關特征量來組建最優(yōu)預報方程的辦法。試驗表明，這樣作出的相似預報效果較好。,高度（hpa）500700…850（H:風向，風速，溫度，露點溫度差，東西風分量，南北風分量，濕度…）地面2001.1,1(08h)2006.5.10(08h)2011.1.1(08h)時間,,,,,,,,,,,,,,,,1.相似系數(shù)假定一氣象因子場H由n個氣象要素組成,樣本長度為m用一矩陣表示為:,上式用i,j作為要素h的下標hij表示H場的第i個樣本在第j個點的要素值。用下式計算相似系數(shù)：Aij(H)=Rij(H).(1-Dij(H)/Dmax)(2)其中Aij(H)是相關系數(shù),Dij(H)是平均距離，它們的表達式分別為:,???,???分別是第i個樣本與第j個樣本的n個要素的平均值。Rij(H)為H場的第i個樣本與第j個樣本之間的相關系數(shù)，它表征了兩個樣本H場的空間波形相似程度，其值越大，則兩個樣本H場的波形越相似。Dij(H)為第i個樣本與第j個樣本H場之間的平均距離，它表征了兩個樣本H場之間空間位置的接近程度，其值越小，則兩個樣本的H場越接近。,Dmax是一個可以自定義的適當大小的值。這里定義Dmax是H場的各樣本之間平均距離的最大值，這樣定義可以保證式（2）中的Dij(H)/Dmax≤1,從而保證相似系數(shù)(Aij)與相關系數(shù)(Rij)的符號相同。Aij(H)是第i個樣本與第j個樣本H場之間的相似系數(shù),它包括相關系數(shù)和平均距離兩個量,所以它既表征了兩個樣本H場之間的波形相似程度)也表征了它們之間空間位置的間距大小,從公式(2)可知，Aij(H)隨Rij(H)增大和Dij(H)的減小而增大。也就是說，如果Rij(H)越大、Dij(H)越小，則Aij(H)即H場之間波形越相似、間距越小，則兩個樣本的H場越相似?？梢姡肁ij(H)來刻劃各樣本因子場的相似程度是合適的。,2相關特征量的計算如何描述因子場與天氣現(xiàn)象之間的關系，如何表達因子場在天氣預報中的重要性，目前尚無現(xiàn)成的方法可以借鑒。通過以下步驟可計算出表征氣象因子場與天氣現(xiàn)象之間關系的相關特征量值)用其大小來權衡因子場在天氣預報中的重要性。2.1求最佳相似樣本就H場而言,用公式(2)可以計算出各樣本之間的相似系數(shù))每個樣本與其它樣本之間的相似系數(shù)有m-1，從m-1個相似系數(shù)中挑選出最大的相似系數(shù)(Aij(H))max(以下簡寫為Aid(H))，Aid(H)對應的樣本就是第i個樣本H場的最佳相似樣本,最佳相似樣本對應的天氣現(xiàn)象用Wid(H)表示。,2.2求樣本天氣與最佳相似樣本天氣之間的相關系數(shù)-相關特征量假定各樣本對應的天氣現(xiàn)象依次是W1，W2，…Wm而各樣本H場的最佳相似樣本對應的天氣現(xiàn)象依次是W1d(H)，W2d(H)，…，Wmd(H)；可以求出H場的樣本天氣序列與最佳相似樣本天氣序列之間的相關系數(shù):,其中????(??)是H場的最佳相似樣本天氣序列的平均值，??是樣本天氣序列的平均值。從原理和實踐經(jīng)驗都可以這樣認為：假如H場與天氣現(xiàn)象W的關系密切的話,那么，H場很相似的兩個樣本所對應的天氣現(xiàn)象也一定類似；反過來講，如果H場很相似的任意兩個樣本所對應的天氣大,都較類似,那么,H場與天氣現(xiàn)象的關系一定很密切，這就是說，雖然式（5）計算的是天氣現(xiàn)象之間的相關系數(shù)Rw(H)，但Rw(H)卻表征了因子場H與天氣現(xiàn)象W之間關系的密切程度。所以我們把Rw(H)稱為因子場H與天氣現(xiàn)象W的相關特征量。,3組建相似預報方程3.1綜合相似預報方程因為相關特征量表征了因子場與天氣現(xiàn)象關系的密切程度，相似系數(shù)表征了兩樣本間的相似程度，所以，可用各種因子（H1，H2，…，Hn）的相關特征量作為各因子場在方程中的權重系數(shù)，用相似系數(shù)作因子組成線性方程：Yij(w)=Aij(H1)*Rw(H1)+Aij(H2)*Rw(H2)+…，Aij(Hn)*Rw(Hn)(6),用式(6)可以計算出任一樣本與其它樣本間的綜合相似系數(shù)，從中選出最大的綜合相似系數(shù)，其對應的樣本就是要求的最佳相似樣本，最佳相似樣本對應的天氣現(xiàn)象就是預報的天氣現(xiàn)象，這也就是各種因子場綜合的相似預報結果。,3.2逐步引進因子場，建立最優(yōu)相似預報方程預報效果的好壞，取決于相似預報方程的合理性。式（6）作為相似預報方程是否合理呢？眾所周知，在建立多元回歸方程時，并非因子越多預報效果就越好；另外，由于因子之間還存在相關的問題。因此不一定是單相關最好的幾個因子組成的預報方程最優(yōu)。在利用相關特征量和相似系數(shù)組建相似預報方程時也會遇到同樣的問題，即：并非引進因子場越多，相似方程預報效果就越好；由于因子場相互間相關性，也不一定是單相關最好的幾個因子場構成的相似預報方程最好。如果只引入少量因子場，怎樣才能保證預報效果達到最優(yōu)呢？為此，我們設計了一個因子場逐步引入法，這一方法的基本原理與逐步回歸方法類似，從眾多因子場中逐步挑選因子場進入預報方程，使預報擬合率（用樣本,天氣與最佳相似樣本對應天氣之間的相關系數(shù)表示）隨著因子場的增加而提高，直至預報擬合率不再由于因子場的引入而提高為止。具體作法如下：用相關特征量最大的因子場作為首選因子場引入預報方程：Yij(w)=Aij(Hd1)*Rw(Hd1)（7）用下標d1表示第一個入選的因子場，Rw(Hd1)是各種因子場中與天氣現(xiàn)象W相關特征量最大的一個。從前邊的推導過程可知，如果只用一個因子場來組建方程，那么，方程（7）一定是預報效果最好的方程，預報擬合率（用ny1來表示)就等于相關特征量。,②在式（7）首選因子場的基礎上，將Hd1場與其它因子場逐一結合，建立由兩個因子場組成的預報方程，分別計算各方程預報的天氣與樣本天氣的擬合率，找出擬合率最大且超過ny1的方程:Yij(w)=Aij(Hd1)*Rw(Hd1)+Aij(Hd2)*Rw(Hd2)(8)這樣，引入了第二個因子場Hd2預報擬合率為ny2且ny2>ny1。,③仿照引入第二個因子場的辦法，依次引入第三個、第四個…等因子場，直到預報擬合率不再提高為止，得到預報方程：Yij(w)=Aij(Hd1)*Rw(Hd1)+Aij(Hd2)*Rw(Hd2)+…+Aij(Hdp)*Rw(Hdp)(9)該方程稱作最優(yōu)相似預報方程。試驗表明，對短期降水預報來說，一般引入4-6個因子場后，擬合率就很難再提高。,3.3舉例這里以南京5月份20-20時的降水（R22）預報為例,說明用其前12小時(08時)的高空各要素場來組建最優(yōu)相似預報方程的具體過程。表的第一列是因子場名，第二列是各種不同因子場與R22的相關特征量(即預報擬合率)。按照前面所述，從表1第二列中可以找出，單因子場預報擬合率（即相關特征量）最大的是850hPa風的V分量場,預報擬合率ny1=0.3141。因此，V8就是首選因子場，其預報方程可寫成：Y1=0.3141*A(V8)(10),用V8場分別與其它場逐個組合建立預報方程，預報擬合率列入表1的第三列。為了與單因子場的預報擬合率保持一致，在多因子場組合作預報時，仍以預報量與實況的相關系數(shù)表示預報擬合率，預報擬合率最高的V8和H5的組合，預報擬合率ny2=0.3752，于是引進第二個因子場H5；Y2=0.3141*A(V8)+0.061*A(H5)(11)用V8和H5場與其它場逐個組合建立預報方程，預報擬合率列入表1的第四列。預報擬合率最高的是V8、H5和D8的組合，預報擬合率ny3=0.4205；于是引進第三個因子D8；依次類推，當引進第五個因子場時，最高預報擬合率0.3970，擬合率沒有提高，反而下降。所以可以認為式（12）是最優(yōu)預報方程。Y2=0.3141*A(V8)+0.061*A(H5)+0.2256*A(D8)+0.0048*A(U7)(12),逐步利用NCEP資料逐步引進因子制作南京天氣預報,本文對上文進行修改擴充，利用美國國家環(huán)境預測中心(NCEP)資料，資料說明如下：1資料分類該資料集分：等壓面資料、地面資料、通量資料1．1等壓面資料資料格距：2.50*2.50的經(jīng)緯網(wǎng)格網(wǎng)格點數(shù)：144*73個格點資料范圍：900N～900S，O0E～357.50E等壓面層：共17層（hPa），1000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20，10資料文件：文件名由變量名的縮寫和年份組成，如：air.83，表示1983年各等壓面溫度。,逐步引進NCEP資料的思想：以南京為中心，首先采用2*2的格點資料進行逐步引進因子方法進行建模，并驗證模型的預報準確率，接著增加格點數(shù)3*3，4*4…直至預報準確率沒有明顯提高或者下降為止。找出其中預報準確率最高的格點數(shù)作為樣本點。,以南京為中心，選取一個2*2的網(wǎng)格作為采集樣本，通過MPI技術來求取相似場.,,南京,1.相似系數(shù)假定每個格點上的氣象因子場H由n個氣象要素組成,樣本長度為m（選取40年）用一矩陣表示為:,上式用i,j作為要素h的下標hij表示H場的第i個樣本在第j個點的要素值。用下式分別計算每個格點上的相似系數(shù)：Aij(H)=Rij(H).(1-Dij(H)/Dmax)(2)利用MPI技術，把格點上40年的資料按年份均分到k臺電腦上，進行并行計算，每臺電腦分別求出n*n個格點的Aij(H)的總和SAij(H)，并求出（SAij(H)）max，最后把結果返回給主程序電腦上。其中Aij(H)是相關系數(shù),Dij(H)是平均距離，它們的表達式分別為:,2相關特征量的計算如何描述因子場與天氣現(xiàn)象之間的關系，如何表達因子場在天氣預報中的重要性，目前尚無現(xiàn)成的方法可以借鑒。通過以下步驟可計算出表征氣象因子場與天氣現(xiàn)象之間關系的相關特征量值)用其大小來權衡因子場在天氣預報中的重要性。2.1求最佳相似樣本就H場而言,用公式(2)可以計算出各樣本之間的相似系數(shù)，在主機電腦中計算出各個返回值的最大值，即挑選出最大的相似系數(shù)(SAij(H))max(以下簡寫為Aid(H))，Aid(H)對應的樣本就是第i個樣本H場的最佳相似樣本,最佳相似樣本對應的天氣現(xiàn)象用Wid(H)表示。,謝謝！,