ISSN 1004-4965

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三种机器学习方法在广东雷暴大风自动识别的应用效果评估

兰宇 罗聪 伍志方 唐思瑜 吴林 程兴国 陈蝶聪

兰宇, 罗聪, 伍志方, 唐思瑜, 吴林, 程兴国, 陈蝶聪. 三种机器学习方法在广东雷暴大风自动识别的应用效果评估[J]. 热带气象学报, 2023, 39(2): 256-266. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.024
引用本文: 兰宇, 罗聪, 伍志方, 唐思瑜, 吴林, 程兴国, 陈蝶聪. 三种机器学习方法在广东雷暴大风自动识别的应用效果评估[J]. 热带气象学报, 2023, 39(2): 256-266. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.024
LAN Yu, LUO Cong, WU Zhifang, TANG Siyu, WU Lin, CHENG Xingguo, CHEN Diecong. THE ASSESSMENT OF APPLICATION EFFECTIVENESS OF THREE MACHINE LEARNING METHODS IN AUTOMATIC IDENTIFICATION OF THUNDERSTORM GALE IN GUANGDONG[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(2): 256-266. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.024
Citation: LAN Yu, LUO Cong, WU Zhifang, TANG Siyu, WU Lin, CHENG Xingguo, CHEN Diecong. THE ASSESSMENT OF APPLICATION EFFECTIVENESS OF THREE MACHINE LEARNING METHODS IN AUTOMATIC IDENTIFICATION OF THUNDERSTORM GALE IN GUANGDONG[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(2): 256-266. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.024

三种机器学习方法在广东雷暴大风自动识别的应用效果评估

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.024
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2019YFC1510400

广东省基础与应用基础研究基金项目 2021B1515310001

国家自然科学基金项目 U2142210

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2021M09

广东省自然科学基金 2022A1515011814

南海海洋气象预报预警关键技术研发 CXFZ2021J025

详细信息
    通讯作者:

    伍志方,女,江西省人,研究员级高级工程师,从事灾害性天气预报和雷达应用研究。E-mail:1147942917@qq.com

  • 中图分类号: P425.47

THE ASSESSMENT OF APPLICATION EFFECTIVENESS OF THREE MACHINE LEARNING METHODS IN AUTOMATIC IDENTIFICATION OF THUNDERSTORM GALE IN GUANGDONG

  • 摘要: 基于2012—2019年自动站雷暴大风观测实况和对应雷达回波,利用传统机器学习方法(决策树)和深度学习方法(CNN、YOLO)等三种机器学习方法分别建立雷暴大风自动识别模型。根据广东雷暴大风回波特征,选取50 dBZ高度、反射率因子强度梯度等5个回波参量作为决策树的特征因子;将1~9 km高度的雷达回波分为11层,作为YOLOv3的输入层,使其由原3个特征层扩展到11层,训练优化后的YOLOv3可更合理刻画雷暴大风的空间结构特征。经批量测试和业务试运行试验,检验结果表明:三种模型中基于决策树的模型虚警最高,基于CNN的模型漏报最多,基于YOLO的模型识别效果最好,其POD和CSI均最高。通过对广东2020年汛期5次系统性和5次局地性雷暴大风过程进行分类型自动识别效果评估,并选取任意天气下长达30天连续时段进行不间断识别检验,结果表明该算法对于不同类型的雷暴大风均有较好的识别能力,具备业务化应用前景。

     

  • 图  1  用于机器学习的雷暴大风标签集制作

    图  2  决策树模型结构示意图

    图  3  CNN卷积神经网络层级结构示意图

    图  4  YOLOv3网络结构图

    图  5  2020年7月14日20—21时实况大风与算法识别结果分布情况

    图  6  2020年6月9日15—17时实况大风与算法识别结果分布情况

    表  1  三种模型识别效果批量测试对比

    模型 POD FAR CSI
    决策树 0.934 0.57 0.363
    CNN 0.865 0.489 0.421
    YOLO 0.994 0.308 0.685
    说明:表中YOLO识别结果的置信度=0.7,后文中YOLO识别结果均采用该置信度。
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    表  2  2016年4月13日飑线型雷暴大风天气过程识别评估结果

    模型 实况记录 命中数 空报数 漏报数 POD FAR CSI
    决策树 200 214 14 0.935 0.517 0.467
    CNN 214 189 135 25 0.883 0.417 0.542
    YOLO 210 101 4 0.981 0.325 0.667
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    表  3  2019年3月2日雷暴大风、强降水混合天气过程识别评估结果

    模型 实况记录 命中数 空报数 漏报数 POD FAR CSI
    决策树 26 39 2 0.929 0.600 0.388
    CNN 28 25 30 3 0.893 0.545 0.431
    YOLO 28 28 0 1.000 0.500 0.500
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    表  4  基于YOLO的识别模型对于局地性天气过程识别能力的评估

    类型 实况记录 POD FAR CSI
    局地性过程 71 0.958 0.364 0.618
    系统性过程 148 0.986 0.321 0.673
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    表  5  基于YOLO的识别模型在连续时段内识别能力的评估

    模型 实况记录 POD FAR CSI
    YOLO 1 520 0.939 0.374 0.601
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    表  6  2021年全年雷暴大风过程识别效果评估结果

    模型 实况记录 POD FAR CSI
    YOLO 1 603 0.927 0.338 0.629
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-08
  • 修回日期:  2023-02-28
  • 网络出版日期:  2023-06-30
  • 刊出日期:  2023-04-20

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