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《兰州大学》 2012年 博士论文
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气象要素的信息特征及其在汛期降水预测中的应用

冯爱霞  
【摘要】:针对气象要素场信息特征分析的欠缺以及历史资料蕴含动力模式所需信息须深入探讨,运用信息论中的信息熵、信息传输理论对温度场和高度场资料进行了不同时空尺度的静、动态信息特征分析。结合相空间非线性预测方法、复杂网络、动力-统计定量化预测方法,对北半球高度场进行了预测精度分析,提取了海气系统双层空间关联结构信息,并将空间关联信息化为因子从而对汛期降水模式误差进行订正。在得出信息熵在气象资料中的适用方法及条件的基础上,主要给出了气象要素场时间信息熵的静态特征以及动态信息损失率特征,得到了空间非线性关联结构信息,由此把空间结构信息初步应用到汛期降水中。主要得到以下结果和结论: (1)信息熵的适用性研究 验证了样本估计法较适合分析气象时间序列的信息熵,其优点在于对样本量的敏感性较小。研究了气象时间序列资料的时间信息熵与样本量之间的关系,在日、月时间尺度上,进一步明确了对于气象要素序列而言样本量在100左右便可满足信息熵等算法对样本量的要求。 (2)温度场和高度场时间信息熵静态特征 计算指出,两要素场的时间信息熵空间分布特征明显:水平方向上,信息熵纬向分布特征显著-其熵值随纬度增加而增加;垂直方向上,信息熵以300hPa左右为轴呈准对称分布,但温度场信息熵在300hPa以上随高度增加而增加,之下则随高度增加而减少,而高度场信息熵随高度的增减关系恰与温度场相反。两要素场信息熵的季节变化和年代际变化显著。温度场信息熵的季节变化在高纬度地区最显著,中纬度地区次之,低纬度地区最不明显,且北半球较南半球显著,其熵值在夏季最小、冬季最大,春秋月份居中;温度场和高度场信息熵具有明显的年代际周期振荡特征,且在各个高度上都具有较好的一致性。 (3)北半球高度场的预测精度与经向信息传输 预测精度主要表现为:在水平方向上,受年循环的重大影响大陆上空大气的预测精度较海洋上的高;在垂直方向上,大气的预测精度随高度的增加而增加;在时间尺度上,大气年代际信号的预测精度较季节内信号的高。 经向信息传输则表现为:太平洋和大西洋上空大气的信息经向损失率较小,其副热带地区为中纬度和低纬度之间主要的经向“信息传输通道”。此外,季节内信号的经向信息损失率较年代际信号大,在水平、垂直上两时间尺度的信息传输方向有准反向特征。四季对信息在中纬度和低纬度之间的经向传输有着不同的影响,其中春季和秋季对信息通道的影响尤为显著。 (4)海气双层关联结构的空间信息特征 在研究了信息熵在空间上的分布、时间上的演化,以及经向上的传输特征后,进一步以互信息熵表征海洋和大气内部不同格点间的非线性关联,在国际上首先尝试开展了海气系统双层网络的研究。同时,运用复杂网络的理论和方法,定量描述海气系统相互作用的双层关联结构特征,揭示了“海气相互作用空间主模态”。这一主模态主要由三个区域,两个主相互作用组成,即热带太平洋群岛上空的对流层低层大气同热带印度洋的相互作用,以及上述大气同热带中东太平洋的相互作用,并用“印太齿轮耦合模型”解释了该模态的形成机理,同时也证实了该主模态存在的可靠性。揭示出三大关键区间的触发过程:当热带中东太平洋海温发生异常时,通过沃克环流和反沃克环流,850hPa太平洋热带群岛大气和印度洋海温分别在两个月后和三个月后响应。三大关键区异常的演变在20世纪60年代一致性较弱,70-80年代一致性较强,而90年代-21世纪初则呈现复杂状况。这主要是印度洋、太平洋自身动力过程以及两者间通过海气耦合作用施于对方作用的强弱共同决定的。 (5)关联结构信息特征在汛期降水中的应用 综合海气系统三大关键区(赤道中东太平洋、印度洋海温,以及太平洋群岛低层大气)的异常范围与相互作用关系,定义了“三维海气相互作用指数”。该指数体现了海气系统的异常范围与内部相互作用的主要关系,能够在一定程度上表现低纬度海气系统的主要特征。将该指数作为动力-统计相结合的定量化预测方法的主要因子应用于夏季降水模式误差场的相似订正中。结果表明,该指数对我国长江中下游地区模式误差订正的效果较好,能够有效地用来预测长江中下游区域的汛期降水。长江中下游地区2005-2010共6年的独立样本回报结果显示,ACC较业务系统误差订正提高了0.21。


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