基于机器学习的模式温度预报订正方法研究

机器学习在气象数值模式的后处理中表现优越,但其稳定性和适用性有待深入探究。本文选取了ECWMF模式包括2米温度、风、降水等多气象要素预报产品和安徽省80个国家气象站观测2米温度实况资料,分析了EC模式在安徽省站点温度预报误差,利用决策树、随机森林、LightGBM三种机器学习算法订正EC 模式0-72小时温度站点预报,并将其与传统MOS订正方法和SPCC主观预报产品进行了对比。结果表明：EC模式高温预报误差明显高于低温预报,在安徽皖南山区和大别山区存在较大误差;机器学习算法中最高温度预报随机森林表现最优,最低温度预报LightGBM最优,比EC模式平均绝对误差MAE分别降低了0.55℃、0.2℃,均方根误差RMSE分别降低0.6℃、0.31℃,预报准确率提高了18.16%和5.19%;高山站独立建模并融合周围站的信息能有效降低模型误差;相比SPCC主观预报产品,机器学习预报模型在高温和寒潮过程中互有优劣,但在天气转折初期落后;机器学习可以作为常规预报模式的补充,能显著优化或改善传统预报中温度预测精度,特别是对于数据缺乏的高山站点。     

一种机器学习方法在湖北定时气温预报中的应用试验

利用2015—2017年湖北89个气象站地面观测温度、欧洲中心再分析资料和0～12 h预报资料回归模式输出要素与地面气温之间的关系,建立了LightGBM模型,并在2018年数据集上进行测试。结果表明,定时气温平均绝对误差由模式本身的1.8℃下降到1.1℃,2℃以内预报准确率由65.9%上升至86.6%,决定系数(拟合优度)高达0.97。该模型已经在武汉中心气象台业务化,初步选取定时气温中的极值进行2018年2—6月预报评分,24 h高、低温预报准确率分别为76.9%和91.4%,在客观产品中排名前列,较数值预报模式产品提升明显,低温预报准确率超过预报员水平。LightGBM作为一个年轻的机器学习框架,在气象要素预报方面具备良好的应用前景。     

基于机器学习的格点气温预报订正方法

使用2017年9月至2021年3月国家级业务化运行的智能网格实况分析产品和欧洲中期天气预报中心全球模式(EC)产品,根据湖北省的地理分布特征构建6个分区,采用基于LightGBM机器学习算法建立的气温预报方法,生成湖北省0.05°×0.05°格点气温预报产品。利用2021年4—9月的预报产品和格点实况资料进行检验,结果表明:基于机器学习的气温预报方法(MLT)取得了较好的预报效果,其在0～72 h时效内优于中央气象台下发的气温精细化指导预报(SCMOC)和EC产品;MLT在山区的误差较平原大,但山区的订正幅度大于平原,日最高气温的订正幅度大于日最低气温的订正幅度;4—9月MLT、SCMOC、EC产品的平均绝对误差(MAE)日变化都呈现了白天偏高、夜间偏低、午后凸起的单峰特征,MLT的MAE值较SCMOC和EC产品的更低,并且在转折性天气中仍具有优势;站点检验与格点检验结论一致,基于格点建模的气温预报产品对站点预报同样得到了订正。机器学习在格点气温的模式订正方面可以作为一个行之有效的手段。     

三种插值方法对区域自动气象站日气温缺测数据插补的适用性研究

为解决气温观测记录缺测的问题,选择反距离权重插值(Inverse Distance Weighted,IDW)、普通克里金插值(Ordinary Kriging,OK)和多元线性回归(Multiple Linear Regression,MLR)三种方法,以湖北省2020年为例,对全省逐日平均气温(T)、最高气温(T_max)和最低气温(T_min)进行空间插补,并采用平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)对3种方法的插补结果进行检验。结果表明:用MLR插补得到的Tmax、Tmin、T的MAE最小,分别为0.41℃、0.31℃和0.20℃,其中T的插补误差在1℃以内的站点比例高达100%;相比IDW和OK,MLR插补结果的MAE空间分布均匀,其不仅随海拔高度变化较小,随季节变化也相对较小。单站试验结果表明,当用于MLR模型的样本数量越多、时间离散度越大时,MLR对气温的插补效果越好。总体上,对日气温缺测数据的插补效果,MLR最优,IDW次之,OK最差;对于建立气象站点长时间连续气温数据集而言,MLR更适合解决区域自动气象站...     

机器学习在广西台风极大风速预报中的应用

以1980-2020年广西台风期间桂林、梧州、龙州、南宁、玉林等5个气象观测站的地面日极大风速为研究对象,采用多元线性回归(MR)、支持向量机(SVM)、模糊神经网络(FNN)等三种较为常用的线性和非线性方法分别进行预报建模,对2011-2020年共10a独立样本的检验.结果 表明,在全样本风速预报的平均绝对误差上,F...     

基于GRU神经网络的雷州半岛近海岸能见度短临预报研究

近海岸大气能见度变化具有复杂的非线性和局地性特征,且近海岸气象观测站少,一直是精细化预报业务的难点。利用GRU(Gated Recurrent Unit)神经网络,采用广东省湛江市国家基本气象站及其周边上下游观测资料,构建了雷州半岛近海岸能见度1 h时效短临预报的多站GRU模型、单站GRU模型和逐步回归预报模型,并进行了检验评估。结果表明,相比传统的逐步回归方法,GRU神经网络能更好地识别上下游能见度的时空变化特征,多站GRU模型平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、决定系数(R2)评分均明显好于多元逐步回归模型。模型结构对能见度短临预报效果至关重要,将上下游的气象特征引入到能见度短临预报模型可显著提升预报效果。多站GRU模型在个例检验中较单站GRU模型的MAE、RMSE分别下降了36%和29%,R2提高了30%,表明多站GRU神经网络对能见度预报具有明显优势,为近海岸能见度的精细化短临预报提供了新思路。     

基于数值预报与雷达外推预报融合方法的降水回波短临预报试验研究

采用傅里叶-梅林变换、多尺度光流法及威布尔分布,对湖北省2020年6—7月4次降水过程雷达回波进行多尺度预报试验及其相位和强度校正。在此基础上,利用双曲正切函数对校正后的模式降水回波预报和雷达回波外推临近预报进行融合。最后,基于预报技巧评分和平均绝对误差及命中率等指标对不同时效、尺度及回波阈值的预报结果进行定量分析。结果表明：（1）融合后的0～3 h降水回波预报在范围和位置上均较模式预报和雷达外推预报改进明显,尤其对强回波预报有明显优势,对对流预报有积极作用;0.01°×0.01°尺度的0～1 h预报效果明显好于其他尺度及预报时效。（2）武汉RUC模式预报效果最差,平均绝对误差（mean absolute error,MAE）最大为6.1～8.2 dBZ,而融合预报效果最好,MAE最小为4.7～6.5 dBZ。0.01°×0.01°尺度下融合预报的命中率（probability of detection,POD）随回波阈值和预报时效增加而降低,而其他尺度下20 dBZ回波阈值的平均POD最大、MAE最小,平均POD(MAE)均高于（低于）其他2种预报。总体来看,融合预报明显优于单一预报...     

辽宁水稻年景预报模型研究

选用1961—2015年东北地区26个气象站月平均气温资料、国家气候中心74项环流特征量指数、NCEP/NCAR再分析资料和1986—2015年辽宁省水稻单产资料,分析了辽宁省水稻产量的时间变化特征,基于大气环流对长期天气过程影响的滞后性,考虑预报因子的显著、稳定性和独立性,应用多元线性回归方法建立水稻年景的预报模型。结果表明:(1)辽宁省水稻实际产量、趋势产量、气象产量均呈增加趋势,发生气候突变时间分别为1992、1997和1994年,实际产量与气象产量的关系较密切;(2)水稻年景预报模型经F检验,具有统计学意义,预报基本正确率为81.9%,用该模型预测2014、2015年水稻年景,均接近实际值。     

基于卡尔曼滤波的神经网络月平均气温预测模型

利用湛江市近50年来的月平均气温时间序列资料,将卡尔曼滤波与人工神经网络方法相结合,建立了湛江气温的短期气候预测模型.试验结果表明,这种基于卡尔曼滤波的神经网络模型对湛江的平均气温具有较好的预测能力,在平均绝对误差(MAE)小于1.5℃的条件下,实际预报准确率达到91.7%,对短期气候预测的业务工作具有较高的参考价值.     

基于随机森林模型的雅鲁藏布江流域气温降尺度研究

采用随机森林RF(Random Forest)模型对雅鲁藏布江流域22个站点的日平均气温进行降尺度研究,为了探求在雅鲁藏布江流域更适宜的气温降尺度方法,采用多元线性回归MLR、人工神经网络ANN和支持向量机SVM三种方法作为对比模型,并且采用主成分分析PCA和偏相关分析PAR两种分析方法,进行特征变量筛选。采用纳西效率系数NASH、均方根误差RMSE系数、绝对误差MAE和相关系数r值四种标准来评价模型的模拟效果。结果表明,RF模型的模拟效果要明显优于其他几种方法的模拟结果;采用PAR筛选特征变量的模型计算结果,不仅优于采用PCA筛选特征变量模型的模拟结果,且较稳定,另外,各种模型验证期的NASH效率系数都在0. 86以上,相关系数都在0. 93以上,所用几种模型都能较好地模拟雅江流域平均气温。选取MPI-ESM-LR模式在未来(2016-2050年)两种极端典型浓度路径RCP(Representative Concentration Pathway)排放情景RCP2. 6和RCP8. 5下的试验数据,研究雅鲁藏布江流域未来气温变化趋势表明,雅鲁藏布江流域未来2016-2050年在RCP2. 6和RCP8. 5两种排放情景下,平均气温都呈现出持续上升的趋势,在RCP2. 6排放情景下日平均气温平均上升0. 14℃,在RCP8. 5排放情景下日平均气温平均上升0. 30℃。     

西安市各区县气温预测统计方法对比分析

利用西安市7个国家一般气象站1971—2000年的逐月平均气温,依次选用最优气候值法、多元线性回归预测法、自回归移动平均法(ARIMA)和灰色系统理论法进行回报检验,模拟出7个站点2001—2013年的月、季、年平均气温,再对其进行PS评分和异常级分析,结果显示:季、年平均气温预测以最优气候值法、灰色系统理论法较为适用,月平均气温预测中各种方法在时空序列上各有优劣,多元线性回归预测法应适当避免使用;从时间尺度来看,春、夏、秋和年平均气温预测以最优气候值法最优,冬季平均气温预测以自回归移动平均法最优,月平均气温预测3—8月以最优气候值法最优,1—2月、9—12月以自回归移动平均法最优;从空间尺度来看,靠近山区及平原区(周至、户县、市区、高陵)月、季、年平均气温预测以灰色系统法最优,山区与平原区过度区域(临潼、蓝田、长安)月、季、年平均气温预测以最优气候值法最优。     

多种机器学习方法在京津冀地区低能见度天气预报中的应用

利用2017—2021年的ERA5再分析资料和京津冀国家站地面资料,结合多种机器学习方法建立预报模型,开展轻雾、大雾客观预报。探讨了再分析资料、地形因素的影响,并结合多模型集成、统计消空进一步优化模型。结果表明:(1) XGBoost (eXtreme Gradient Boosting)、LightGBM (Light Gradient Boosting Machine)、随机森林等集成学习方法的预报效果均优于决策树方法;(2)在引入ERA5再分析资料、地形建模后,XGBoost、LightGBM模型的预报性能显著提高。相比仅使用地面要素建模,大雾预报的TS (Threat Score)提升了30%、32%,达到0.52、0.49,命中率分别为0.62、0.87。此外,经过多模型集成后,轻雾、大雾预报的TS提升到了0.51、0.54;(3)2022年秋季一次大雾过程中,本方法提前72 h准确预报了京津冀地区的大雾,其中以LightGBM模型表现最好。0~72 h轻雾预报和0~36 h逐小时大雾预报的TS均达到0.3,预报准确率、时效性均优于ECMWF (European Center for Medium Weather Forecasting)模式。     

主分量分析在热带气旋强度客观预报中的试用

为了解主分量因子分析在热带气旋强度客观预报中的应用效能,在NCEP再分析资料、T106L19模式产品和热带气旋历史观测资料基础上,采用主分量因子分析技术,结合多元线性回归和BP型人工神经网络,开展了西北太平洋热带气旋的强度客观预报技术研究试验。试验包含完全预报法原理下的预报因子有无主分量分析、线性与非线性预报方法建模等方面的比较。结果表明,预报因子的主分量分析通过降低线性回归和BP人工神经网络模型的维数,提高因子间独立性,可减小模型强度预报平均绝对误差,提高模型实际预报能力。     

基于DEM修订的新疆区域气温空间插值精度优化研究

为研究新疆地区气温的空间变异性,以新疆66个国家气象台站1981—2010年月平均气温和30 m空间分辨率DEM数据为基础,采用传统插值法、基于DEM多元线性回归插值和基于DEM修正的空间插值方法对新疆区域气温数据进行栅格化,并分析年平均气温与海拔的相关关系。通过采用反距离权重法(IDW),普通克里格法(Kriging),样条函数法(Spline)和趋势面分析法(Trend)4种空间插值方法对气象要素进行直接插值、气温多元回归模型残差结果插值、基于DEM修正插值对比分析。通过针对插值方法进行基于MAE和RMSIE的交叉验证,结果表明传统插值方法、基于多元线性回归和基于DEM修正4种空间插值精度均为IDWKrigingSplineTrend。反距离权重(IDW)空间插值方法最优,基于DEM修正IDW插值、基于多元线性回归IDW插值与传统IDW插值精度分别是0.039、0.477、1.038,插值结果客观的表达了新疆区域气温随空间梯度的变化趋势。     

北京地区体感温度误差订正方法研究

基于欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range weather Forecasts, ECMWF)模式的预报数据和北京地区气象站点的观测数据,使用两种机器学习算法(线性回归和梯度提升回归树)对站点的体感温度进行误差订正,并采用均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)对预报效果进行评估,进一步与传统订正方法模式输出统计(Model Output Statistics, MOS)得到的订正结果进行对比。结果表明：线性回归、梯度提升回归树、 MOS和ECMWF预报得到的平均RMSE分别为3.12、3.06、3.45、4.06℃,即机器学习算法明显优于MOS和ECMWF模式原始预报。机器学习订正方法不仅在平原地区取得了较好的效果,在高海拔站点的订正效果更加突出,为北京冬奥会复杂山地条件下赛事正常运行提供了一定的技术保障。     

镇江地区ECMWF模式高温预报订正方法研究

针对镇江ECMWF模式168 h内高温(t≥35℃)预报结果提出四种后处理订正方案,包括一元线性回归法、差值法、综合法和递减平均法;借助均方根误差等四种检验方法就订正效果进行评估,找寻最优订正方案。结果表明,四种订正方法都明显改善了ECMWF模式高温预报,订正后的均方根误差、平均绝对误差及最大绝对误差较订正前均有所减小,预报准确率显著提高。对于24 h时效内预报,四种订正方法各有优势。对于48～168 h时效预报,一元线性回归法效果更优。采用分时效对ECMWF模式高温预报结果进行后处理,考虑24 h预报订正使用递减平均方法,48～168 h预报订正使用一元线性回归法,可以更大程度地提高预报准确率。     

基于SVD与机器学习的华南降水预报订正方法

降水是在多种天气系统和复杂物理过程共同影响下形成的,因此降水预报难度较大。由于数值预报模式的局限性,使得模式预报产品存在一定误差。为探讨更加有效的模式预报产品误差订正方法,基于奇异值分解（SVD）与机器学习（多元线性回归、套索回归、岭回归）构建订正模型,对2007—2019年4月1日—6月30日华南前汛期欧洲中期天气预报中心（EC）模式降水预报产品进行误差订正试验。结果表明:基于SVD与机器学习相结合的订正模型能有效降低EC模式降水预报产品在华南的预报误差,均方根误差最大优化率达4.2%,累计超过69%的站点得到不同程度的优化;SVD与机器学习相结合的订正模型能很好地处理因子间共线性问题,具有更好的鲁棒性;而对多个订正模型加权集成,均方根误差优化率达5.7%,累计超过77%的站点得到优化,显然加权集成方法订正效果不仅优于EC模式预报产品,也优于参与集成的任一订正模型。     

复杂地形区域平均气温空间插值方法研究

采用反距离权重、克立格、径向基函数法、三维二次趋势面和地理加权回归5种方法,对云南125个站1月、4月、7月、10月和年的30年平均气温进行空间插值并比较分析发现:反距离权重、克立格、径向基函数法3种常规插值方法对地形复杂的云南气温空间分布模拟精度不高;三维二次趋势面和地理加权回归模型对云南气温空间分布模拟较好,交叉检验结果显示前者的平均绝对误差(MAE)为0.43~1.02℃,均方根误差(RMSE)为0.67~1.77℃,其推算的云南气温栅格数据能较好地反映出云南各地气温的分布和差异;GWR模型对气温的交叉验证在5种插值方法中误差最小,插值结果 MAE在0.65℃以下,RMSE在0.8℃以下;进而使用"地理加权回归模型插值+反距离权重残差内插"叠加法对抽取的10个检验站平均气温进行插值检验,64%的插值结果绝对误差在0.5℃以内,74%的插值结果相对误差在5%以内,且实测值与插值估算值回归关系决定系数R2在0.9以上。     

福建省空气负氧离子分布特征及气象预测模型北大核心CSCD

负氧离子是评价空气新鲜和清洁程度的重要指标。利用2018—2021年福建省负氧离子观测站数据分析负氧离子浓度的时空变化特征,并采用多元线性回归方法、多元逻辑回归方法和LightGBM机器学习方法建立负氧离子浓度预测模型。结果表明:福建省负氧离子资源十分丰富,中海拔区(350~550 m)年平均负氧离子浓度最高,低海拔区次之,高海拔区最小。负氧离子浓度日变化特征呈一峰一谷型,04:00—06:00(北京时,下同)达到峰值,12:00—13:00达到谷值;中海拔区负氧离子浓度季节变化较大,季节平均浓度从大到小依次为春季、夏季、冬季、秋季,而高、低海拔区季节变化相对较小。福建省不同海拔地区负氧离子浓度与湿度、降水和能见度均呈显著正相关,负氧离子浓度与气温、风速和气压显著相关,但不同海拔地区的相关性有所不同。机器学习方法对不同海拔地区负氧离子浓度数值的拟合效果比多元线性回归方法有明显提升,对负氧离子浓度等级拟合的准确率比多元逻辑回归方法提高7%~12%,且在绝大部分等级上的准确率均高于多元逻辑回归方法。     

利用人工神经网络模型预测西北太平洋热带气旋生成频数

通过对60年(1950~2009年)北半球夏、秋季(6~10月)热带气旋(TC)频数与春季(3~5月)大尺度环境变量的相关分析,挑选出8个相关性较高的前期预报因子建立人工神经网络(ANN)模型,对2010~2017年8年夏、秋季TC频数进行回报,并将回报结果与传统多元线性回归(MLR)方法所得结果进行对比分析。结果表明,ANN模型对60年历史数据的拟合精度高,相关系数高达0.99,平均绝对误差低至0.77。在8年回报中,ANN模型相关系数为0.80,平均绝对误差为1.97;而MLR模型相关系数仅为0.46,平均绝对误差为3.30。ANN模型在历史数据拟合和回报中的表现都明显优于MLR模型,未来可考虑应用于实际的业务预测中。