計(jì)算機(jī)在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.pptx

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計(jì)算機(jī)在天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,天氣預(yù)報(bào)是根據(jù)氣象觀(探)測(cè)資料，應(yīng)用天氣學(xué)、動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和方法，對(duì)某區(qū)域或某地點(diǎn)未來(lái)一定時(shí)段的天氣狀況作出定性或定量的預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)天氣一直是大氣科學(xué)研究的一個(gè)重要目標(biāo)。天氣預(yù)報(bào)的歷史可以從最早的看云識(shí)天氣和根據(jù)物像來(lái)推測(cè)天氣開(kāi)始，以后經(jīng)歷了單站預(yù)報(bào)，天氣圖預(yù)報(bào)，到目前的應(yīng)用氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)等先進(jìn)的探測(cè)資料和用計(jì)算機(jī)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的階段。伴隨著科技的不斷進(jìn)步，天氣預(yù)報(bào)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(xiàng)要素。主要有：氣溫、氣壓、風(fēng)、濕度、云、降水以及各種天氣現(xiàn)象。,南京天氣預(yù)報(bào),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(zhì)，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(jié)和凍結(jié)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(qiáng)沙塵暴、超強(qiáng)沙塵暴）；揚(yáng)沙；浮塵。（4）雷電現(xiàn)象：雷暴、閃電、極光。（5）其它現(xiàn)象：大風(fēng)、颮、龍卷、塵卷風(fēng)、冰針、積雪、結(jié)冰。,眾所周知，天氣預(yù)報(bào)所需數(shù)據(jù)量極大，對(duì)計(jì)算機(jī)要求很高，很多巨型機(jī)都首先為天氣預(yù)報(bào)所服務(wù)。目前制作天氣預(yù)報(bào)主要采用天氣學(xué)預(yù)報(bào)方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)預(yù)報(bào)方法和動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法，以及由這三種基本預(yù)報(bào)方法相互結(jié)合形成的天氣—統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法、動(dòng)力統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法和天氣—?jiǎng)恿︻A(yù)報(bào)方法等。,天氣學(xué)預(yù)報(bào)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(dá)圖等，用天氣學(xué)的原理來(lái)分析和研究天氣的變化規(guī)律，從而制作天氣預(yù)報(bào)的方法。這種方法主要用于制作短期預(yù)報(bào)。數(shù)值預(yù)報(bào)方法（又稱動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)方法）：是利用大型、快速的電子計(jì)算機(jī)求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)的方法。這種方法可用于制作短期預(yù)報(bào)，也可做中、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。近幾年還開(kāi)始用來(lái)做氣候預(yù)報(bào)。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法：是采用大量的、長(zhǎng)期的氣象觀測(cè)資料，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，尋找出天氣變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，建立天氣變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)的方法。這種方法主要用于制作中、長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和氣象要素預(yù)報(bào)。,這三種制作天氣預(yù)報(bào)的方法的主導(dǎo)思想不一樣。天氣現(xiàn)象（或天氣過(guò)程）的發(fā)生，包含著必然性和偶然性，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法是從天氣現(xiàn)象（或天氣過(guò)程）具有偶然性這一點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為天氣變化是一種隨機(jī)過(guò)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(xué)方法和數(shù)值預(yù)報(bào)方法則從天氣現(xiàn)象（或天氣過(guò)程）具有必然性這一點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為天氣變化不是隨機(jī)的，它滿足一定的規(guī)律（如動(dòng)量守衡、能量守衡、質(zhì)量守衡等等），在相同的條件下應(yīng)該發(fā)生相同的變化，根據(jù)大氣某一時(shí)刻的狀態(tài)，可以推算出其下一時(shí)刻的確定的狀態(tài)。,相似預(yù)報(bào)方法的基本思路是：假如兩個(gè)樣本的天氣形勢(shì)和氣象要素場(chǎng)是相似的，那么，它們的天氣發(fā)展過(guò)程也相似，所以，從眾多歷史樣本中選取與預(yù)報(bào)日的形勢(shì)及要素場(chǎng)最相似的樣本，把其對(duì)應(yīng)天氣發(fā)展過(guò)程作為預(yù)報(bào)日的天氣預(yù)報(bào)結(jié)論。目前，有不少氣象臺(tái)站利用相似技術(shù)作預(yù)報(bào),雖然基本思路雷同，但由于采用的技術(shù)路線不同，其預(yù)報(bào)效果也不一樣。大多數(shù)相似預(yù)報(bào)方法都考慮了不同因子場(chǎng)在預(yù)報(bào)中的重要性的差異，選取與預(yù)報(bào)對(duì)象關(guān)系最為緊密的因子場(chǎng)參與相似計(jì)算。但是，這些方法都未涉及如何定量描述因子場(chǎng)重要性的問(wèn)題，也沒(méi)有把整個(gè)因子場(chǎng)作為一個(gè)因子引入預(yù)報(bào)方程的做法，本文提出了定量化地表征氣象因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象之間關(guān)系的相關(guān)特征量處理技術(shù)和計(jì)算方法，同時(shí)還提出了用相似系數(shù)和相關(guān)特征量來(lái)組建最優(yōu)預(yù)報(bào)方程的辦法。試驗(yàn)表明，這樣作出的相似預(yù)報(bào)效果較好。,高度（hpa）500700…850（H:風(fēng)向，風(fēng)速，溫度，露點(diǎn)溫度差，東西風(fēng)分量，南北風(fēng)分量，濕度…）地面2001.1,1(08h)2006.5.10(08h)2011.1.1(08h)時(shí)間,,,,,,,,,,,,,,,,1.相似系數(shù)假定一氣象因子場(chǎng)H由n個(gè)氣象要素組成,樣本長(zhǎng)度為m用一矩陣表示為:,上式用i,j作為要素h的下標(biāo)hij表示H場(chǎng)的第i個(gè)樣本在第j個(gè)點(diǎn)的要素值。用下式計(jì)算相似系數(shù)：Aij(H)=Rij(H).(1-Dij(H)/Dmax)(2)其中Aij(H)是相關(guān)系數(shù),Dij(H)是平均距離，它們的表達(dá)式分別為:,???,???分別是第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本的n個(gè)要素的平均值。Rij(H)為H場(chǎng)的第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本之間的相關(guān)系數(shù)，它表征了兩個(gè)樣本H場(chǎng)的空間波形相似程度，其值越大，則兩個(gè)樣本H場(chǎng)的波形越相似。Dij(H)為第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本H場(chǎng)之間的平均距離，它表征了兩個(gè)樣本H場(chǎng)之間空間位置的接近程度，其值越小，則兩個(gè)樣本的H場(chǎng)越接近。,Dmax是一個(gè)可以自定義的適當(dāng)大小的值。這里定義Dmax是H場(chǎng)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(guān)系數(shù)(Rij)的符號(hào)相同。Aij(H)是第i個(gè)樣本與第j個(gè)樣本H場(chǎng)之間的相似系數(shù),它包括相關(guān)系數(shù)和平均距離兩個(gè)量,所以它既表征了兩個(gè)樣本H場(chǎng)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(shuō)，如果Rij(H)越大、Dij(H)越小，則Aij(H)即H場(chǎng)之間波形越相似、間距越小，則兩個(gè)樣本的H場(chǎng)越相似?？梢?jiàn)，用Aij(H)來(lái)刻劃各樣本因子場(chǎng)的相似程度是合適的。,2相關(guān)特征量的計(jì)算如何描述因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象之間的關(guān)系，如何表達(dá)因子場(chǎng)在天氣預(yù)報(bào)中的重要性，目前尚無(wú)現(xiàn)成的方法可以借鑒。通過(guò)以下步驟可計(jì)算出表征氣象因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象之間關(guān)系的相關(guān)特征量值)用其大小來(lái)權(quán)衡因子場(chǎng)在天氣預(yù)報(bào)中的重要性。2.1求最佳相似樣本就H場(chǎng)而言,用公式(2)可以計(jì)算出各樣本之間的相似系數(shù))每個(gè)樣本與其它樣本之間的相似系數(shù)有m-1，從m-1個(gè)相似系數(shù)中挑選出最大的相似系數(shù)(Aij(H))max(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為Aid(H))，Aid(H)對(duì)應(yīng)的樣本就是第i個(gè)樣本H場(chǎng)的最佳相似樣本,最佳相似樣本對(duì)應(yīng)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(guān)系數(shù)-相關(guān)特征量假定各樣本對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象依次是W1，W2，…Wm而各樣本H場(chǎng)的最佳相似樣本對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象依次是W1d(H)，W2d(H)，…，Wmd(H)；可以求出H場(chǎng)的樣本天氣序列與最佳相似樣本天氣序列之間的相關(guān)系數(shù):,其中????(??)是H場(chǎng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都可以這樣認(rèn)為：假如H場(chǎng)與天氣現(xiàn)象W的關(guān)系密切的話,那么，H場(chǎng)很相似的兩個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象也一定類似；反過(guò)來(lái)講，如果H場(chǎng)很相似的任意兩個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的天氣大,都較類似,那么,H場(chǎng)與天氣現(xiàn)象的關(guān)系一定很密切，這就是說(shuō)，雖然式（5）計(jì)算的是天氣現(xiàn)象之間的相關(guān)系數(shù)Rw(H)，但Rw(H)卻表征了因子場(chǎng)H與天氣現(xiàn)象W之間關(guān)系的密切程度。所以我們把Rw(H)稱為因子場(chǎng)H與天氣現(xiàn)象W的相關(guān)特征量。,3組建相似預(yù)報(bào)方程3.1綜合相似預(yù)報(bào)方程因?yàn)橄嚓P(guān)特征量表征了因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象關(guān)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(guān)特征量作為各因子場(chǎng)在方程中的權(quán)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(jì)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(duì)應(yīng)的樣本就是要求的最佳相似樣本，最佳相似樣本對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象就是預(yù)報(bào)的天氣現(xiàn)象，這也就是各種因子場(chǎng)綜合的相似預(yù)報(bào)結(jié)果。,3.2逐步引進(jìn)因子場(chǎng)，建立最優(yōu)相似預(yù)報(bào)方程預(yù)報(bào)效果的好壞，取決于相似預(yù)報(bào)方程的合理性。式（6）作為相似預(yù)報(bào)方程是否合理呢？眾所周知，在建立多元回歸方程時(shí)，并非因子越多預(yù)報(bào)效果就越好；另外，由于因子之間還存在相關(guān)的問(wèn)題。因此不一定是單相關(guān)最好的幾個(gè)因子組成的預(yù)報(bào)方程最優(yōu)。在利用相關(guān)特征量和相似系數(shù)組建相似預(yù)報(bào)方程時(shí)也會(huì)遇到同樣的問(wèn)題，即：并非引進(jìn)因子場(chǎng)越多，相似方程預(yù)報(bào)效果就越好；由于因子場(chǎng)相互間相關(guān)性，也不一定是單相關(guān)最好的幾個(gè)因子場(chǎng)構(gòu)成的相似預(yù)報(bào)方程最好。如果只引入少量因子場(chǎng)，怎樣才能保證預(yù)報(bào)效果達(dá)到最優(yōu)呢？為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)因子場(chǎng)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(chǎng)中逐步挑選因子場(chǎng)進(jìn)入預(yù)報(bào)方程，使預(yù)報(bào)擬合率（用樣本,天氣與最佳相似樣本對(duì)應(yīng)天氣之間的相關(guān)系數(shù)表示）隨著因子場(chǎng)的增加而提高，直至預(yù)報(bào)擬合率不再由于因子場(chǎng)的引入而提高為止。具體作法如下：用相關(guān)特征量最大的因子場(chǎng)作為首選因子場(chǎng)引入預(yù)報(bào)方程：Yij(w)=Aij(Hd1)*Rw(Hd1)（7）用下標(biāo)d1表示第一個(gè)入選的因子場(chǎng)，Rw(Hd1)是各種因子場(chǎng)中與天氣現(xiàn)象W相關(guān)特征量最大的一個(gè)。從前邊的推導(dǎo)過(guò)程可知，如果只用一個(gè)因子場(chǎng)來(lái)組建方程，那么，方程（7）一定是預(yù)報(bào)效果最好的方程，預(yù)報(bào)擬合率（用ny1來(lái)表示)就等于相關(guān)特征量。,②在式（7）首選因子場(chǎng)的基礎(chǔ)上，將Hd1場(chǎng)與其它因子場(chǎng)逐一結(jié)合，建立由兩個(gè)因子場(chǎng)組成的預(yù)報(bào)方程，分別計(jì)算各方程預(yù)報(bào)的天氣與樣本天氣的擬合率，找出擬合率最大且超過(guò)ny1的方程:Yij(w)=Aij(Hd1)*Rw(Hd1)+Aij(Hd2)*Rw(Hd2)(8)這樣，引入了第二個(gè)因子場(chǎng)Hd2預(yù)報(bào)擬合率為ny2且ny2>ny1。,③仿照引入第二個(gè)因子場(chǎng)的辦法，依次引入第三個(gè)、第四個(gè)…等因子場(chǎng)，直到預(yù)報(bào)擬合率不再提高為止，得到預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)方程。試驗(yàn)表明，對(duì)短期降水預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，一般引入4-6個(gè)因子場(chǎng)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(shí)的降水（R22）預(yù)報(bào)為例,說(shuō)明用其前12小時(shí)(08時(shí))的高空各要素場(chǎng)來(lái)組建最優(yōu)相似預(yù)報(bào)方程的具體過(guò)程。表的第一列是因子場(chǎng)名，第二列是各種不同因子場(chǎng)與R22的相關(guān)特征量(即預(yù)報(bào)擬合率)。按照前面所述，從表1第二列中可以找出，單因子場(chǎng)預(yù)報(bào)擬合率（即相關(guān)特征量）最大的是850hPa風(fēng)的V分量場(chǎng),預(yù)報(bào)擬合率ny1=0.3141。因此，V8就是首選因子場(chǎng)，其預(yù)報(bào)方程可寫(xiě)成：Y1=0.3141*A(V8)(10),用V8場(chǎng)分別與其它場(chǎng)逐個(gè)組合建立預(yù)報(bào)方程，預(yù)報(bào)擬合率列入表1的第三列。為了與單因子場(chǎng)的預(yù)報(bào)擬合率保持一致，在多因子場(chǎng)組合作預(yù)報(bào)時(shí)，仍以預(yù)報(bào)量與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)表示預(yù)報(bào)擬合率，預(yù)報(bào)擬合率最高的V8和H5的組合，預(yù)報(bào)擬合率ny2=0.3752，于是引進(jìn)第二個(gè)因子場(chǎng)H5；Y2=0.3141*A(V8)+0.061*A(H5)(11)用V8和H5場(chǎng)與其它場(chǎng)逐個(gè)組合建立預(yù)報(bào)方程，預(yù)報(bào)擬合率列入表1的第四列。預(yù)報(bào)擬合率最高的是V8、H5和D8的組合，預(yù)報(bào)擬合率ny3=0.4205；于是引進(jìn)第三個(gè)因子D8；依次類推，當(dāng)引進(jìn)第五個(gè)因子場(chǎng)時(shí)，最高預(yù)報(bào)擬合率0.3970，擬合率沒(méi)有提高，反而下降。所以可以認(rèn)為式（12）是最優(yōu)預(yù)報(bào)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(jìn)因子制作南京天氣預(yù)報(bào),本文對(duì)上文進(jìn)行修改擴(kuò)充，利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)資料，資料說(shuō)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(diǎn)數(shù)：144*73個(gè)格點(diǎn)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(xiě)和年份組成，如：air.83，表示1983年各等壓面溫度。,逐步引進(jìn)NCEP資料的思想：以南京為中心，首先采用2*2的格點(diǎn)資料進(jìn)行逐步引進(jìn)因子方法進(jìn)行建模，并驗(yàn)證模型的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，接著增加格點(diǎn)數(shù)3*3，4*4…直至預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率沒(méi)有明顯提高或者下降為止。找出其中預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高的格點(diǎn)數(shù)作為樣本點(diǎn)。,以南京為中心，選取一個(gè)2*2的網(wǎng)格作為采集樣本，通過(guò)MPI技術(shù)來(lái)求取相似場(chǎng).,,南京,1.相似系數(shù)假定每個(gè)格點(diǎn)上的氣象因子場(chǎng)H由n個(gè)氣象要素組成,樣本長(zhǎng)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(biāo)hij表示H場(chǎng)的第i個(gè)樣本在第j個(gè)點(diǎn)的要素值。用下式分別計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)上的相似系數(shù)：Aij(H)=Rij(H).(1-Dij(H)/Dmax)(2)利用MPI技術(shù)，把格點(diǎn)上40年的資料按年份均分到k臺(tái)電腦上，進(jìn)行并行計(jì)算，每臺(tái)電腦分別求出n*n個(gè)格點(diǎn)的Aij(H)的總和SAij(H)，并求出（SAij(H)）max，最后把結(jié)果返回給主程序電腦上。其中Aij(H)是相關(guān)系數(shù),Dij(H)是平均距離，它們的表達(dá)式分別為:,2相關(guān)特征量的計(jì)算如何描述因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象之間的關(guān)系，如何表達(dá)因子場(chǎng)在天氣預(yù)報(bào)中的重要性，目前尚無(wú)現(xiàn)成的方法可以借鑒。通過(guò)以下步驟可計(jì)算出表征氣象因子場(chǎng)與天氣現(xiàn)象之間關(guān)系的相關(guān)特征量值)用其大小來(lái)權(quán)衡因子場(chǎng)在天氣預(yù)報(bào)中的重要性。2.1求最佳相似樣本就H場(chǎng)而言,用公式(2)可以計(jì)算出各樣本之間的相似系數(shù)，在主機(jī)電腦中計(jì)算出各個(gè)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(jiǎn)寫(xiě)為Aid(H))，Aid(H)對(duì)應(yīng)的樣本就是第i個(gè)樣本H場(chǎng)的最佳相似樣本,最佳相似樣本對(duì)應(yīng)的天氣現(xiàn)象用Wid(H)表示。,謝謝！,