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基于物理约束扩散模型的华东极端降水控制机制研究

Control Mechanisms of Extreme Precipitation over East China Revealed by a Physics-Guided Diffusion Model

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.22 气候变化下极端天气灾害的机制、预测和应对

极端降水对社会经济系统具有显著影响，而传统统计后订正方法在强降水情形下往往存在系统性偏差，且难以提供物理机制解释。本文以华东地区为研究对象，提出一种引入物理一致性约束的扩散式降水后订正框架，以提升对极端降水过程的刻画能力与物理可解释性。该方法融合伏羲预报降水与 ERA5 再分析多层大气状态变量（包括温度、风场及比湿），并基于水汽通量及其散度构建物理约束项，从而在生成过程中显式引导降水与水汽输送过程的一致性。同时，通过尾部加权损失与极端样本重采样策略，增强模型对极端降水的学习能力。在此基础上，本文针对机理分析需求，设计了一系列敏感性与反事实实验，通过对水汽含量、风场结构及水汽辐合强度进行系统扰动，评估降水响应的物理合理性及其非线性特征。结果表明，相较于无物理约束的基线模型，引入物理约束的扩散模型在整体误差上表现更为稳定，并在极端降水子集中呈现出更符合大气物理机制的响应行为。进一步的反事实实验表明，水汽辐合强度对极端降水具有显著的控制作用，其变化能够引起降水强度的非线性响应。研究结果表明，物理一致性约束不仅有助于提升极端降水后订正结果的可信度，也为定量刻画关键物理过程在极端降水形成中的作用提供了一种新的研究范式。