基于统计的台风影响下珠海站风速预报方法
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第42卷第4期
2020年8月 广 东 气 象GuangdongMeteorology
Vol.42 No.4 August 2020
收稿日期:2019-12-15
基金项目:国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(41861164027)
作者简介:王世强(1989年生),男,硕士,工程师,主要从事天气预报工作。
E-mail:wshqiang@mail2.sysu.edu.cn
通信作者:夏冬(1982年生),男,硕士,高级工程师,主要从事天气预报和大气物理与环境研究。
E-mail:16351650@qq.com
王世强,夏冬,李韵婕,等.基于统计的台风影响下珠海站风速预报方法[J].广东气象,2020,42(4):32-35.
基于统计的台风影响下珠海站风速预报方法
王世强1,夏冬1,李韵婕2,黄照亮1,刘洋1,王东海3
(1.珠海市公共气象服务中心,广东珠海 519000;2.珠海市气象局,广东珠海 519000;
3.中山大学大气科学学院,广东珠海 519082)
摘 要:利用2006—2016年中国气象局(CMA)台风最佳路径数据集和珠海站的逐小时风速资料,通过线性回归方法,建立了一种基于台风中心位置、强度对珠海站风速预报的方法。
结果表明:(
1)珠海站周围400km范围内年平均有4 6个台风活动,且主要集中在西南象限和东南象限;(2)台风位于西南象限时其中心风速与珠海站风速的线性关系最好,珠海站风速也最大;(3)利用2017年台风数据和珠海站实际风速数据对预报方程进行检验,其预报效果较好。
关键词:气象预报;台风;线性回归;风速预报;珠海站
中图分类号:P456 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2020.04.008
台风作为一种可造成严重影响的自然灾害,
往往伴随大风、暴雨、风暴潮等灾害[1-2]
,尤其是台风造成的极端大风灾害[3]
,可造成巨大的经济
损失。
目前,台风影响下的大风预报多是基于数值模式预报的结果,但在下垫面模拟还不够精细、中小尺度系统机理不完全清晰等数值预报不完善的背景下,数值模式预报的大风仍存在一定的误差,台风精细化预报亟待提高[4]。
而基于本
地历史气象资料统计分析
[5]
建立局地风速与台
风中心位置和强度关系,从而将数值模式对于台风路径、强度的预报与本地的资料结合起来,可以有效地弥补数值预报对于台风影响下风速预报的不足。
关于台风中心位置、强度与其造成的大风的
关系,已有许多专家学者进行了研究。
Li等[6]
通
过对华南地区部分自动气象站数据分析,建立了
热带气旋影响下阵风预报模型;梁莉等[4]
对
2008—2014年的台风统计研究结果表明,6级及以上大风主要发生在距离台风中心300km内、强度达到台风级别以上时,且主要位于台风移动
方向的右侧;薛霖等[
5]
统计分析我国海南岛附近区域热带气旋低层风场的变化特征,结果表明台风中心位于海南岛上时出现大风比率最高,位于岛南侧时次之,岛北侧时最小。
珠海市地处珠三角南部沿海,每年都会受到
台风影响[7-10],大风灾害尤为严重[8]。
本研究
利用2006—2016年珠海站逐小时最大风速资料和周围400km内的台风资料,通过线性回归方法,研究珠海站周围不同象限、距离的台风与本地大风之间的规律和关系,基于线性回归方法建立台风影响下风速预报模型,为台风造成的大风预报作参考。
1 资料和方法
1.1 资料
本研究使用的风速资料为珠海站逐时最大的平均风(10min)和阵风(3s)值。
由于在2006年之后珠海站才有自动观测小时资料数据,因此研究时段为2
006—2016年。
台风资料为该时段中国气象局(CMA)的最佳路径数据集,其资料包括台风定位、2min平均近中心最大风速(简称台风中心风速)和中心最低气压等数据。
按照业务规定台风中心附近最大风速在1
0m/s以下停止定位,因此本研究的台风中心风速最低值为10m/s。
1.2 方法
台风大风分布与台风强度、结构、范围大小
都有关系[
11]
,通常情况下,台风中心风速越大、
距离越近,台风造成的大风越大(台风眼附近除外),并且台风最大风速分布在移动方向的右
侧[11]。
本研究选取以珠海站为中心、半径400
km的圆形区域为研究区域,统计了2006—2016年研究区域内的台风活动位置;以珠海站为中心,将其周围分为东北(NE)、东南(SE)、西北(NW)、西南(SW)4个象限,同时根据台风中心与珠海站的距离每隔50km分为一圈,分别统计不同象限、距离圈内的台风风速与珠海站风速的关系。
1)插分方法。
由于CMA台风最佳路径数据集时间间隔为6h,为了扩大样本数量并与珠海站的逐时风速资料相匹配,在研究时将台风按照其位置和强度(中心附近最大风速)将原来的6h间隔线性插
值成1h
[12]。
在2017年台风资料中,登陆前24h台风资
料的时间间隔加密为3h一次。
本研究对比了用分辨率6h资料线性插值结果与台风实际位置(共71个样本),结果表明两者差异并不明显,空间差值的均方差为10km,最大风速差值的均方差为1 57m/s。
2)线性拟合。
以台风中心附近最大风速为自变量,珠海站风速(平均风和阵风)为因变量,建立线性回归
方程,并以可决系数(R2
)作为判定线性回归拟
合程度优劣的标准。
2 珠海市周围台风活动特征
2006—2016年共有51个台风进入研究区域(图1a),年平均4 6个,主要集中在6—10月(图1
b)。
对台风资料进行线性插值到1h,共得到台风样本1796个(图1c-d)。
图C中研究区域划分为东北(NE)、东南(SE)、西北(NW)、西南(SW)
图1 2006—2016年研究区域内台风样本分布特征
a.年际变化;b.月变化;c.各象限不同距离不同等级台风样本分布;d.各象限区不同距离台风样本数目
从台风路径和强度的分布(图1c)来看,东北象限的台风移动路径以偏北和西北偏西为主,较强的台风主要在近海;东南象限的台风移动路径以西北和东北偏北为主,其中东北偏北路径的台风主要集中在250km以外的区域;西南象限的台风移动路径以西北为主;西北象限的台风移动路径以西北和东北为主,强度基本都在热带风暴级别以下。
从样本分布数量的分布(图1d)来看,在0~50km范围内的样本数目很少,仅有35个,且多集中在西北象限;在50~100km范围内台风数量明显增多达到127个,尤其是西南象限,多达53个;在100~150和150~200km范围内样本数在170个左右,西南象限最多,其次为东南和东北象限;在200~250和250~300km范围内的样本总数在200个以上,东南象限样本数逐渐
超过西南象限,东北、西北象限样本数目所占比例明显减少;300~350和350~400km范围内的样本总数都在400个以上,东南和西南象限的样本数目在1
40~180个,东北和西北气象的样本数目大致在5
0个左右。
3 台风中心风速与珠海站风速的线性回归
3.1 回归拟合的效果
0~50km范围内的西南象限由于样本数目过少(只有2个),未做线性回归。
从平均风(图
2a)和阵风(图2b)回归方程的可决系数R2
值来
看,当台风中心在0~50km范围内时,各个象限
拟合效果一般,最大的是东南象限,R2在0.3左
右;在50~100km范围内时,拟合效果明显提
升,东南和西南象限的R2达到0 8左右,其次是
西北象限,而东北象限只有0 2左右;在100~
3
3 第4期
王世强等:基于统计的台风影响下珠海站风速预报方法
150km范围内时,拟合效果开始有所下降,东南
和西南象限的R2降至0 6~0 7,西北和东北象
限在0 3左右;在150~200km范围内时,仅有
东南象限的R2
较100~150km有所下降;在200~
250、250~300和300~350km范围内时,各象限
的拟合都明显下降,西南和西北象限拟合要优于东北和东南象限;在350~400km范围内时,西
南象限的R2
仍有0 4以上,而其它象限均已
很低。
图2 各象限不同距离平均风(a)和阵风(b)的回归方程可决系数(R2
)
3.2 建立回归方程查算表
根据线性拟合结果,建立出回归方程查算表(表1、表2)。
除0~50km外,其它几乎所有的回归方程均通过P=0 05的显著性F检验,大部
分方程更是都通过了P=
0 01的非常显著性F检验。
对比不同象限回归方程斜率可以看出,台风位于西南象限时的珠海站风速最大,其次东南象限,西北和东北象限最小。
表1 不同象限平均风回归方程
距离/kmNESESWNW0~500.04·Vtc+
4.50.1·Vtc+
2.8—
-0.1·Vtc+
2.850~1000.1·Vtc+4.51)0.4·Vtc-2.81)
0.5·Vtc-1.01)
0.4·Vtc+0.71)
100~1500.1·Vtc+3.01)0.3·Vtc-1.81)0.5·Vtc-1.01)0.3·Vtc+1.31)150~2000.1·Vtc+2.71)
0.2·Vtc+0.81)0.4·Vtc+1.01)0.4·Vtc-0.41)200~2500.06·Vtc+3.21)0.1·Vtc+1.51)0.4·Vtc+0.21)0.2·Vtc+1.51)250~3000.07·Vtc+3.02)0.1·Vtc+2.31)0.2·Vtc+3.41)0.2·Vtc+1.51)300~3500.06·Vtc+
2.81)
0.05·Vtc+2.91)0.2·Vtc+2.91)0.3·Vtc+1.01)350~400
0.04·Vtc+
2.80.06·Vtc+
2.51)
0.2·Vtc+
3.71)0.3·Vtc+
1.01) 1)通过P=0.01的F检验;2)通过P=0.05的F检验
表2 不同象限阵风回归方程
距离/kmNESESWNW0~500.1·Vtc+
7.80.1·Vtc+
7.7—
-0.2·Vtc+
11.550~1000.3·Vtc+6.71)
0.8·Vtc-5.91)
0.7·Vtc-0.81)
0.6·Vtc+3.52)
100~1500.3·Vtc+4.81)
0.6·Vtc-4.21)0.7·Vtc+0.21)0.4·Vtc+4.52)150~2000.2·Vtc+3.51)0.4·Vtc+1.01)0.5·Vtc+3.21)0.3·Vtc+6.31)200~2500.1·Vtc+5.61)0.3·Vtc+2.01)0.6·Vtc+1.81)0.6·Vtc+1.21)250~3000.2·Vtc+5.52)0.3·Vtc+1.61)0.4·Vtc+5.81)0.5·Vtc+1.91)300~3500.2·Vtc+3.51)0.1·Vtc+4.21)0.3·Vtc+5.11)0.5·Vtc+1.71)350~400
0.2·Vtc+
3.81)
0.1·Vtc+
5.11)0.3·Vtc+
6.11)0.5·Vtc+
2.41) 1)通过P=0.01的F检验;2)通过P=0.05的F检验
43广东气象第42卷
3.3 回归方程检验
为了检验回归方程效果,将2017年的台风路径资料插值到每小时,共得到188个样本。
据查算表得到对应珠海站的时最大平均风和阵风,并与珠海站录得风速实况进行对比。
图3为回归方程的预测风速与实际风速差值的标准差。
从图3可以看出,西南象限误差最
大,其次为东南象限,东北和西北象限误差最小;距离越远,误差越小。
西南象限的效果可能由2个原因引起:(1)西南象限的样本数目很少,全部样本数量仅有23个;(2)台风“天鸽”、“帕卡”是2017年影响珠海站最严重的台风,其都在西南象限1
50km范围内经过,而回归方程对极端
台风的预测结果明显偏低。
图3 利用回归方程预报的平均风(a)和阵风(b)风速与珠海站实际风速差值的标准差
4 结论
1)珠海站附近区域年均有4 6个台风活动,主要集中在6—10月,以西北行路径为主;东南象限和西南象限是台风主要活动象限。
2)不同象限台风中心风速与珠海站风速的线性关系差异较大,其中西南象限和东南象限最好。
3)在相同台风中心风速和距离圈内时,台风位于西南象限时的珠海站风速最大,其次为东南象限,在西北象限和东北象限时最小。
4)通过2017年台风数据对预报方程进行检验,结果表明其对东北、东南、西北象限活动台风均有较好的预测效果,而西南象限由于样本少、2017年极端台风较多等原因,检验效果较差。
由于珠海站逐时最大风速观测资料时间年限有限,回归方程使用的样本数量还相对较少,在累积了更多的台风资料后,扩大样本数量,相信可以进一步提升方程的预报效果。
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OntheRelationshipsBetweenPrecedentSoilTemperatureand
RainingSeasonPrecipitationinDianbai
GUMing mei,ZHANGTao,LUOJian,CAIShi tong
(MeteorologicalBureauofDianbaiDistrict,MaomingCity,Maoming525400)
Abstract:Usingthemethodsofstatisticsandcorrelationanalysis(thePearsontest),thispaperanaly
zestherelationshipsbetweensoiltemperatureatanationalbasestationinDianbai,Maomingfrom1992to2017andsubsequentprecipitationduringitsrainingseason.Theresultisshownasfollows.Thefurtheruptowardsthelandsurface,thegreaterthesoiltemperaturevaries.Itismoreconservativeandlagsmorebe hindasitgoesdeeperinthesoil.Whilemonthlyandseasonalsoiltemperatureinprecedingperiodsarepoorlycorrelatedwiththeprecipitationinrainingseasonsaswellasthewholesummer,itslinkswiththepre cipitationofthefollowingyearsareslightlybetterwithmultiplesignificantcorrelations.Forsomedepths,themonthlysoiltemperaturecorrelateswellwiththeprecipitationinsuccessivemonths(withingtherainingsea son),withasmanyas75coefficientsofsignificantcorrelation,ofwhichthehighestis-0.617.Thecorre lationismainlynegative,wellreflectingtheoscillatoryrelationshipbetweenthemonthlysoiltemperatureandthemonthlyprecipitationinsubsequentrainingseasons.Duringthewinterhalfyear(fromtheprecedingOc tobertothecurrentMarch),deep layersoiltemperatureanomaliesaregenerallyconsistentwiththeyear to yearvariationcurveofprecipitationvariabilityinthefollowingrainingseason(fromApriltoSeptember),withgenerallycorrespondingoccurrenceofbothpeaksandvalleys(thoughwithsomecasesthatlagbe
hind). Keywords:climatology;precedentsoiltemperature;rainingseasonprecipitation;檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰Dianbai(上接第35页)
AStatisticalApproachofForecastingWindSpeed
ataZhuhaiStationUndertheEffectofTyphoonVisits
WANGShi qiang1,XIADong1,LIYun jie2,HUANGZhao liang1,LIUYang1,WANGDong hai
3
(1.CenterofPublicMeteorologicalServiceforZhuhaiCity,Zhuhai519000;
2.MeteorologicalBureauofZhuhaiCity,Zhuhai519000;
3.SchoolofAtmosphericScience,SunYet senUniversity,Zhuhai519082)
Abstract:Usingthe2006-2016CMAtyphoonbesttrackdatasetsandhourlywindspeeddatafroma
stationatZhuhai,thisworkusesthemethodoflinearregressiontosetupaprocedurebywhichthewindspeedattheZhuhaistationisforecastbasedonthelocationoftyphooneyesandtyphoonintensity.Theresultisshownasfollows.(1)Fortheannualaverage,therewere4.6typhoonsintheareas400kmaroundthecity,withthesouthwestandsoutheastquadrantshavingthemostfrequency.(2)Whenthetyphoonwasinthesouthwestquadrant,itscenterwindspeedwasinthebestlinearcorrelationwiththeZhuhaistationwind
speed,whichwasalsoatthepeakofitsforce.(3)Verifiedagainsttheactualdataoftyphoonsandwindspeedin2017attheZhuhaistation,theforecastingequationwasshowntohavesatisfactoryforecastingresult. Keywords:weatherforecast;typhoon;linearregression;windspeedforecasting;Zhuhaistation
9
3 第4期
古明媚等:电白前期地温与汛期降水的关系。