ISSN 1004-4965

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利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

蔡康龙 胡志群 谭浩波 黄锦灿 张伟强 张晶晶 植江玲

蔡康龙, 胡志群, 谭浩波, 黄锦灿, 张伟强, 张晶晶, 植江玲. 利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(1): 64-74. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.008
引用本文: 蔡康龙, 胡志群, 谭浩波, 黄锦灿, 张伟强, 张晶晶, 植江玲. 利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(1): 64-74. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.008
CAI Kanglong, HU Zhiqun, TAN Haobo, HUANG Jincan, ZHANG Weiqiang, ZHANG Jingjing, ZHI Jiangling. Research on Quantitative Precipitation Estimation by Polarized Radar Using CNN[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(1): 64-74. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.008
Citation: CAI Kanglong, HU Zhiqun, TAN Haobo, HUANG Jincan, ZHANG Weiqiang, ZHANG Jingjing, ZHI Jiangling. Research on Quantitative Precipitation Estimation by Polarized Radar Using CNN[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(1): 64-74. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.008

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.008
基金项目: 

广东省重点领域研发计划 2020B1111200001

广东省气象局科学技术研究重点项目 GRMC2022Z03

佛山市气象局科学技术项目 201915

详细信息
    通讯作者:

    胡志群,男,江西省人,研究员,主要从事雷达气象研究。E-mail: huzq@cma.gov.cn

  • 中图分类号: P412

Research on Quantitative Precipitation Estimation by Polarized Radar Using CNN

  • 摘要: 利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达(CINRAD/SAD)水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络(CNN),建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet,并将该架构用于雷达定量降水估测(QPE),评估结果表明:数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差(RMSE),并提高相关系数(CORR);对于由ZH形成的数据集ZZ_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集ZZ_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差(RMSE)分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3% 和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZHKDPZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6~5mm、5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差(RMSE)、平均偏差比(MBR)、平均误差(AE)和相对误差(RE)等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。

     

  • 图  1  佛山市地面气象自动站(红点)上空广州雷达(红星)某等高高度25×25个格点(黑框)数据示意图(颜色表示广州雷达的回波)

    图  2  预处理后ZH(a)、ZDR(b)、KDP(c)和地面气象自动站的小时雨量(d)的箱线图

    上限是表示95%位置的数值,下限则是5%位置的数值,箱体的上四分位数和下四分位数分别表示75%位置和25%位置的数值。

    图  3  定量降雨估测的深度学习框架图

    输入层25×25×N特征矩阵组成的数据集;框架中间部分由两卷积层和四层全连接层组成,表示应用卷积神经网络提取特征并从数据学习映射;输出层尺寸为1,表示雨量估计值。

    图  4  8个数据集的QPEnet的损失

    图  5  不同数据集的估测降水量与实测降水量的对比

    a.数据集KDP;b.数据集Z;c.数据集Z_1~3 km;d.数据集Z_ZDR;e.数据集Z_KDP;f.数据集ZDR_KDP;g.数据集Z_ZDR_KDP;h.数据集Z_ 6 min,色标为样本数。

    图  6  MBR(a)、KMSE(b)、ME(c)、RE(d)估测降水的可靠性对比

    表  1  各数据集的参数数据集

    数据集 尺寸(25×25×N 参数配置
    Z 25×25×1 1 km等高高度的ZH
    KDP 25×25×1 1 km等高高度的KDP
    Z_ZDR 25×25×2 1 km等高高度的ZHZDR
    Z_KDP 25×25×2 1 km等高高度的ZHKDP
    ZDR_KDP 25×25×2 1 km等高高度的ZDRKDP
    Z_ZDR_KDP 25×25×3 1 km等高高度的ZHZDRKDP
    Z_1~3 km 25×25×3 1 km、2 km和3 km等高高度的ZH
    Z_6 min 25×25×10 1 h逐6 min的1 km等高高度的ZH
    下载: 导出CSV

    表  2  各数据集的整体评价指标

    数据集 通道数 RMSE(mm) CC MBR ME(mm) RE
    KDP 1 4.88 0.78 0.996 -0.024 53%
    Z 1 4.65 0.8 1.002 0.011 49%
    Z_1~3 km 2 4.71 0.82 0.992 -0.047 45%
    Z_ZDR 2 4.38 0.83 1.000 0.001 46%
    Z_KDP 2 4.16 0.85 1.005 0.027 44%
    ZDR_KDP 3 4.15 0.85 1.005 0.026 44%
    Z_ZDR_KDP 3 3.97 0.86 0.992 -0.002 42%
    Z_6 min 10 3.78 0.88 1.000 0.006 37%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-15
  • 修回日期:  2023-11-03
  • 网络出版日期:  2024-04-12
  • 刊出日期:  2024-02-20

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