基于机器学习方法的热带气旋加强机理与预报技术研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41875057
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0501.天气学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The scale of harm of the tropical cyclone (TC) is closely related with the TC intensity. How to better understand the process of the TC intensity change for improving the TC intensity forecast skill, is one of the most concerned issues in the international atmospheric science community. In order to deepen the understanding of the TC intensity change, and to enhance the TC intensity forecast ability, this project plans to apply modern machine learning methods to the analysis of the mechanism of the TC intensity change. Firstly, nonparametric regression and kernel principle component analysis methods are jointly applied, by learning from data of underlying oceanic surface, large-scale environment fields, the TC intensity and structure, to analyze factors influencing the dynamic and thermodynamic processes of the TC intensity change and their combined nonlinear effects. Secondly, gradient boosting decision trees approach is applied to evaluate the individual importance of dynamic and thermodynamic factors to the TC intensification, and the sensitivity of the TC intensification rate to these factors. Based on the above results, an additive model of these factors will be built, to serve as a tool to reveal qualitatively the mechanism influencing the TC intensity change, and an analysis and forecast model that can estimate quantitatively the TC intensification as well. Finally, a prototype of new TC intensity forecast model, with both a sound physical basis and an application prospect, will be developed and operationally tested.
热带气旋(后称TC)的危害程度与其强度直接相关。如何理解TC的强度变化过程,提高TC的强度预报水平是国际大气科学界最为关注的科学问题之一。为了加深对TC强度变化的认识,提升TC强度预报能力,本项目拟将现代机器学习方法应用于TC强度变化机理分析。首先综合运用非参数回归和核主成分分析方法,从海洋下垫面、大尺度环境场、TC涡旋自身强度和结构等方面,通过“学习”数据的方式来分析影响TC强度变化的动力和热力过程以及多影响因子的非线性综合效应;进一步应用梯度提升决策树方法,评估热动力因子对TC增强的重要性,以及TC强度的增强率对不同热动力因子敏感性,并建立影响因子的加性模型,使之成为既能定性解释影响TC强度变化的机理,又能定量估计TC增强的分析和预报模型。在此基础上,发展成为既具有物理基础,又具有业务应用前景的新型TC强度预报模型,并开展运行试验。

结项摘要

尽管近年高分辨率数值预报模式对TC强度预报的精度有所提高,但受限于动力模式对控制TC强度变化的动力和物理过程的认知和描述,误差仍然很大。本项目围绕TC强度和结构变化的内部热动力机理、影响TC强度变化的环境热动力因子和利用机器学习方法结合物理约束进行TC强度预报开展了广泛的研究。通过将现代机器学习方法引入TC强度变化机理分析,研究不同热动力因子及多因子综合效应对TC的增强的重要性及TC的增强率对不同热动力因子敏感性,并将其定量地考虑到模型中。此模型既能定性地解释影响TC强度变化的动力和热力学机理,又能定量地估计不同动力和热力过程对TC强度变化的相对贡献及综合影响。在上述研究基础上发展了具有物理约束与机器学习方法相结合的、具有业务应用前景的新的TC强度预报方法,个例验证试验表明在3-7天TC强度预报优势明显,优于目前现有的官方公布的预报水平。该模型以其理论基础扎实,算法快捷高效在气象导航航线优选,海上台风灾害评估,台风风险评估以及海洋气象预报业务中都会发挥科技支撑作用。

项目成果

期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Contribution of Dissipative Heating to the Intensity-Dependence of Tropical Cyclone Intensification
耗散加热对热带气旋增强强度依赖性的贡献。
  • DOI:
    10.1175/jas-d-22-0012.1
  • 发表时间:
    2022-06
  • 期刊:
    American Meteorological Society
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Y.;Xu J.;Tan Z.
  • 通讯作者:
    Tan Z.
Factors Affecting the Weakening Rate of Tropical Cyclones over the Western North Pacific
影响西北太平洋热带气旋减弱速度的因素
  • DOI:
    10.1175/mwr-d-19-0356.1
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
    Monthly Weather Review
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Rong Fei;Jing Xu;Yuqing Wang;Chi Yang
  • 通讯作者:
    Chi Yang
A New Time-Dependent Theory of Tropical Cyclone Intensification
热带气旋强化的新时间相关理论。
  • DOI:
    10.1175/jas-d-21-0169.1
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of the Atmospheric Sciences
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Y. Wang;Y. Li;Jing Xu
  • 通讯作者:
    Jing Xu
Inter‐basin differences in the median and variability of tropical cyclone MPI in the Northern Hemisphere
北半球热带气旋 MPI 中值和变异性的流域间差异
  • DOI:
    10.1029/2019jd031588
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Geophysical Research: Atmospheres
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xu J.;Y. Wang;C. Yang
  • 通讯作者:
    C. Yang
Potential intensification rate of tropical cyclones in a simplified energetically based dynamical system model: An observational analysis.
简化的基于能量的动力系统模型中热带气旋的潜在增强率:观测分析
  • DOI:
    10.1175/jas-d-21-0217.1
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    J. Atmos. Sci.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xu J.;Y. Wang
  • 通讯作者:
    Y. Wang

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其他文献

UVB致成纤维细胞损伤及两种中药
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热带气旋过台湾岛后路径偏折与结构变化的机理研究
  • 批准号:
    41675044
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  • 项目类别:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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