ISSN 1004-4965

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基于GRU神经网络的雷州半岛近海岸能见度短临预报研究

殷美祥 罗瑞婷 陈荣泉 刘显通

殷美祥, 罗瑞婷, 陈荣泉, 刘显通. 基于GRU神经网络的雷州半岛近海岸能见度短临预报研究[J]. 热带气象学报, 2023, 39(2): 267-275. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.025
引用本文: 殷美祥, 罗瑞婷, 陈荣泉, 刘显通. 基于GRU神经网络的雷州半岛近海岸能见度短临预报研究[J]. 热带气象学报, 2023, 39(2): 267-275. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.025
YIN Meixiang, LUO Ruiting, CHEN Rongquan, LIU Xiantong. RESEARCH ON SHORT-IMPENDING FORECAST OF NEAR-COAST VISIBILITY FOR LEIZHOU PENINSULA BASED ON GRU NEURAL NETWORK[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(2): 267-275. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.025
Citation: YIN Meixiang, LUO Ruiting, CHEN Rongquan, LIU Xiantong. RESEARCH ON SHORT-IMPENDING FORECAST OF NEAR-COAST VISIBILITY FOR LEIZHOU PENINSULA BASED ON GRU NEURAL NETWORK[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(2): 267-275. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.025

基于GRU神经网络的雷州半岛近海岸能见度短临预报研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.025
基金项目: 

广东省重点领域研发计划项目 2020B0101130021

中国气象局重点创新团队 CMA2023ZD08

广东省气象局科技创新团队 GRMCTD202201

广东省气象局科技项目 GRMC2022LM02

详细信息
    通讯作者:

    刘显通,男,江西省人,研究员,博士,从事云降水物理与热带灾害性天气预报研究。E-mail:xtliu@gd121.cn

  • 中图分类号: P456

RESEARCH ON SHORT-IMPENDING FORECAST OF NEAR-COAST VISIBILITY FOR LEIZHOU PENINSULA BASED ON GRU NEURAL NETWORK

  • 摘要: 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。

     

  • 图  1  雷州半岛沿岸代表站点分布

    图  2  GRU神经网络结构示意图

    图  3  2022年1月3日南海北部风场和气温场

    图  4  2022年1月3日雷州半岛最小能见度分布

    图  5  各预报模型在2022年1月2—3日海雾个例过程预报效果

    表  1  湛江站能见度与各气象因子相关关系

    气象因子 相关系数 物理意义 气象因子 相关系数 物理意义
    x1 1 湛江站能见度 x12 0.167 温度露点差
    x2 0.581 雷州站能见度 x13 -0.14 海平面气压
    x3 0.569 吴川站能见度 x14 -0.139 蒸发
    x4 0.545 遂溪站能见度 x15 0.112 水汽压
    x5 0.213 1 min草面平均温度 x16 -0.109 小时数
    x6 0.209 5 cm地温 x17 0.085 露点温度
    x7 0.203 小时内最高地表温度 x18 0.04 过去12 h极大瞬时风速
    x8 0.201 地表温度 x19 0.022 月份
    x9 0.2 小时内最低地表温度 x20 0.021 10 min平均风速
    x10 0.193 气温 x21 -0.019 过去3 h降水量
    x11 -0.17 相对湿度 x22 0.008 24 h变温
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    表  2  各预报模型在测试样本中的预报效果

    预报模型 平均绝对值误差MAE/km 均方根误差RMSE/km 决定系数R2
    多站GRU模型VisNetM 4.1 5.36 0.65
    单站GRU模型VisNetS 4.76 5.9 0.57
    多站逐步回归模型VisMlrM 5.66 19.75 0.29
    单站逐步回归模型VisMlrS 5.33 21.71 0.25
    下载: 导出CSV

    表  3  各预报模型在2022年1月2—3日海雾个例过程中的预报效果

    预报模型 平均绝对值误差MAE/km 均方根误差RMSE/km 决定系数R2
    多站GRU模型VisNetM 1.83 2.44 0.81
    单站GRU模型VisNetS 2.87 3.45 0.62
    多站逐步回归模型VisMlrM 2.39 3.09 0.7
    单站逐步回归模型VisMlrS 2.54 3.46 0.62
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-13
  • 修回日期:  2023-03-08
  • 网络出版日期:  2023-06-30
  • 刊出日期:  2023-04-20

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