ISSN 1004-4965

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基于1DCNN和LSTM的单站逐时气温预报方法

李晶 唐全莉

李晶, 唐全莉. 基于1DCNN和LSTM的单站逐时气温预报方法[J]. 热带气象学报, 2022, 38(6): 800-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.074
引用本文: 李晶, 唐全莉. 基于1DCNN和LSTM的单站逐时气温预报方法[J]. 热带气象学报, 2022, 38(6): 800-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.074
LI Jing, TANG Quanli. HOURLY TEMPERATURE FORECAST METHOD OF SINGLE STATION BASED ON 1DCNN AND LSTM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(6): 800-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.074
Citation: LI Jing, TANG Quanli. HOURLY TEMPERATURE FORECAST METHOD OF SINGLE STATION BASED ON 1DCNN AND LSTM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(6): 800-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.074

基于1DCNN和LSTM的单站逐时气温预报方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.074
基金项目: 

浙江省统计局重点项目 22TJZZ25

国家自然科学基金 71964018

云南省社会科学基金 YB2019036

昆明理工大学学生课外学术科技创新基金 2020YB207

详细信息
    通讯作者:

    李晶,女,河北省人,副教授,博士,从事数据科学、质量管理工程研究。E-mail:254201056@qq.com

  • 中图分类号: P456.4

HOURLY TEMPERATURE FORECAST METHOD OF SINGLE STATION BASED ON 1DCNN AND LSTM

  • 摘要: 针对海量气象观测数据间存在大量的物理噪声、与气温无关的冗余特征以及时间相关性,提出了一种将一维卷积神经网络(1DCNN)和长短期记忆神经网络(LSTM)相结合的多信息融合气温预报方法。首先,运用差分法对气象观测数据进行预处理,得到平稳时间序列数据;其次,运用1DCNN提取与气温变化相关的特征变量作为神经网络模型的输入变量;最后,运用1DCNN和LSTM构建多信息融合气温预报模型1DCNN-LSTM,并以云南省昆明市历史气象观测数据为例,与传统的LSTM、1DCNN和反向传播神经网络(BP)对未来24小时的逐时气温预报进行了比较研究。研究结果表明,1DCNN-LSTM的均方根误差(RMSE)相较于LSTM、1DCNN和BP最大降低了5.221%、19.350% 和9.253%,平均绝对误差(MAE)最大降低了4.419%、17.520% 和8.089%。为气温的精准预报提供了参考依据。

     

  • 图  1  LSTM单元结构图

    图  2  多信息融合气温预报方法1DCNN-LSTM的总体框架

    图  3  1DCNN-LSTM模型气温预报结果

    图  4  1DCNN-LSTM模型气温预报结果

    图  5  LSTM模型气温预报结果

    图  6  BP模型气温预报结果

    图  7  1DCNN-LSTM、1DCNN、LSTM和BP模型随机抽取的气温预报结果

    图  8  1DCNN-LSTM、1DCNN、LSTM和BP模型未来24小时的RMSE曲线对比图

    图  9  1DCNN-LSTM、1DCNN、LSTM和BP模型未来24小时的MAE曲线对比图

    图  10  1DCNN-LSTM、1DCNN、LSTM和BP模型的误差分布对比结果

    表  1  1DCNN-LSTM相较于1DCNN、LSTM和BP模型在RMSE、MAE、rp上改进的百分比

    模型 评价指标 1小时 2小时 3小时 4小时 5小时 6小时 7小时 8小时 9小时 10小时
    LSTM RMSE 5.221 4.216 3.651 3.184 2.493 2.103 1.703 1.219 0.854 0.519
    MAE 4.419 3.757 3.415 3.095 2.509 2.129 1.760 1.370 1.141 0.676
    r 0.119 0.121 0.123 0.125 0.126 0.128 0.129 0.130 0.130 0.131
    p 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
    1DCNN RMSE 19.350 16.241 14.335 12.497 10.650 9.331 7.973 6.634 5.552 4.694
    MAE 17.520 15.140 13.541 12.060 10.497 8.967 7.878 6.548 5.317 4.384
    r 0.435 0.443 0.451 0.458 0.465 0.470 0.475 0.478 0.480 0.482
    p 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
    BP RMSE 9.253 7.685 6.798 5.908 4.955 4.264 3.545 2.753 2.110 1.527
    MAE 8.089 7.034 6.332 5.757 4.951 4.289 3.650 2.917 2.358 1.713
    r 0.225 0.228 0.232 0.235 0.238 0.240 0.242 0.244 0.245 0.246
    p 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-13
  • 修回日期:  2022-08-08
  • 网络出版日期:  2023-03-06
  • 刊出日期:  2022-12-20

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