ISSN 1004-4965

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基于残差移位扩散模型的数值模式温度预报空间降尺度方法

王兴 叶威良 张通 苗子书 吴其亮

王兴, 叶威良, 张通, 苗子书, 吴其亮. 基于残差移位扩散模型的数值模式温度预报空间降尺度方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 869-881. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.076
引用本文: 王兴, 叶威良, 张通, 苗子书, 吴其亮. 基于残差移位扩散模型的数值模式温度预报空间降尺度方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 869-881. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.076
WANG Xing, YE Weiliang, ZHANG Tong, MIAO Zishu, WU Qiliang. A Spatial Downscaling Method for Numerical Model Prediction Based on Residual Shift Diffusion Model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 869-881. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.076
Citation: WANG Xing, YE Weiliang, ZHANG Tong, MIAO Zishu, WU Qiliang. A Spatial Downscaling Method for Numerical Model Prediction Based on Residual Shift Diffusion Model[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 869-881. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.076

基于残差移位扩散模型的数值模式温度预报空间降尺度方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.076
基金项目: 

江苏省自然科学基金面上项目 (BK20221344)

国家自然科学基金项目 (41805033)

教育部产学合作协同育人项目 (220702331220448)

详细信息
    通讯作者:

    王兴,男,江苏省人,教授,博士,主要从事人工智能与现代气象信息技术研究。E-mail:wx@nuist.edu.cn

  • 中图分类号: X435

A Spatial Downscaling Method for Numerical Model Prediction Based on Residual Shift Diffusion Model

  • 摘要: 数值模式预报在气象预测中占据核心地位,利用深度学习技术提升预报的空间精度是空间降尺度的重要发展方向之一。然而,传统生成式模型存在计算效率低、空间纹理精度不足以及模式坍塌等问题。为了解决这些问题,提出了一种基于残差移位扩散模型的数值模式预报空间降尺度方法。具体而言,将残差引入扩散模型的扩散过程中,帮助模型快速收敛,减少采样步骤,相比潜空间扩散模型,推理时间缩短到四十分之一,有效提高了计算效率。通过扩散模型逐步去噪的过程,生成高质量和细节丰富的降尺度图像,显著提升了空间细节表现力。此外,设计了一个噪声灵活控制机制,有效缓解了模式坍塌问题,保证了生成图像的多样性。在与生成对抗模型的对比试验中,本方法在峰值信噪比(PSNR)、结构相似性(SSIM)和图像感知相似度(LPIPS)等指标上分别实现了6%、12%和16%的显著提升。通过这一方法,有望为气象敏感行业提供更准确、更精细的天气信息,推动相关领域的技术进步。

     

  • 图  1  模型架构图

    图  2  扩散模型正向采样示意图

    图  3  Temresnet模型在15步长降尺度效果展示图

    左图橙色条形图显示了 LDM模型不同步长以及 Temresnet模型降 尺度结果与标签的 SSIM参数, 棕色代表 LPIPS参数, 右侧图代表各模型推理所需时长。

    图  4  Temresnet和LDM的效率和性能比较条形图

    左图橙色条形图显示了LDM模型不同步长以及Temresnet模型降尺度结果与标签的SSIM参数,棕色代表LPIPS参数,右侧图代表各模型推理所需时长。

    图  5  多模型空间降尺度效果对比图

    图  6  不同方法降尺度效果比较条形图

    左图代表不同模型的降尺度结果和标签的PSNR参数,右图深色条形图代表SSIM参数,浅色条形图代表LPIPS参数。

    图  7  实际观测数据验证图

    a、b、c、d组分别代表2022年1、4、7、10月的月平均气温,范围为110~116 °E,30~36 °N,左列为4 km分辨率的输入数据,中列为模型重构的结果,右列为1 km分辨率数据。

    图  8  实际观测数据与模型输出数据偏差分布图

    a、b、c、d组分别代表2022年1、4、7、10月的月平均观测气温和模型输出数据的偏差分布,范围为110~116 °E,30~36 °N,e为该经纬度范围的数字高程模型(DEM)90 m分辨率数据。

    图  9  实际观测数据与模型输出数据偏差分布图

    a、b、c组分别代表平原、盆地、高原地形下2022年7月的月平均观测气温和模型输出数据的偏差分布,a1、b1、c1为对应经纬度范围的数字高程模型(DEM)90 m分辨率数据。

    表  1  不同配置下Temresnet在Temresnet_test上的性能比较

    配置 性能指标
    T p k PSNR↑ SSIM↑ LPIPS↓
    10 30.19 0.729 0.242
    15 0.3 2.0 30.01 0.716 0.221
    30 29.75 0.701 0.216
    0.3 30.01 0.716 0.221
    15 0.5 2.0 30.06 0.712 0.222
    1.0 30.13 0.718 0.254
    1.0 30.01 0.716 0.231
    15 0.3 2.0 30.01 0.716 0.221
    6.0 30.13 0.718 0.261
    注:“↑”表示数值越大越好,“↓”表示数值越小越好。下同。
    下载: 导出CSV

    表  2  不同模型在不同季节尺度上的性能比较

    方法 春/夏/秋/冬
    PSNR↑ SSIM↑ LPIPS↓
    ESRGAN 28.13/28.19/27.89/28.26 0.567/0.562/0.559/0.571 0.487/0.485/0.492/0.483
    BSRGAN 28.98/28.91/28.79/29.03 0.596/0.598/0.581/0.604 0.349/0.331/0.354/0.329
    SwinIR 29.11/29.17/28.99/29.25 0.691/0.694/0.682/0.698 0.232/0.231/0.241/0.219
    RealESRGAN 29.53/29.55/29.46/29.61 0.712/0.714/0.698/0.708 0.243/0.242/0.251/0.241
    LDM-15 29.78/29.81/29.72/29.89 0.711/0.716/0.702/0.722 0.232/0.229/0.241/0.224
    Temresnet 30.02/30.06/29.92/30.11 0.713/0.719/0.708/0.727 0.229/0.221/0.231/0.217
    下载: 导出CSV

    表  3  不同模型在不同时间尺度上的性能比较

    方法 00:00/06:00/12:00/18:00 (北京时间)
    PSNR↑ SSIM↑ LPIPS↓
    ESRGAN 28.27/28.18/27.98/28.19 0.574/0.561/0.558/0.572 0.481/0.486/0.489/0.482
    BSRGAN 29.06/28.88/28.81/29.01 0.603/0.595/0.586/0.602 0.328/0.338/0.341/0.330
    SwinIR 29.28/29.15/29.08/29.21 0.699/0.686/0.683/0.696 0.217/0.236/0.239/0.221
    RealESRGAN 29.63/29.54/29.51/29.62 0.714/0.712/0.706/0.709 0.240/0.248/0.254/0.243
    LDM-15 29.88/29.83/29.79/29.86 0.723/0.714/0.707/0.718 0.221/0.234/0.238/0.226
    Temresnet 30.09/30.01/29.95/30.04 0.728/0.717/0.712/0.724 0.219/0.224/0.229/0.221
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-03
  • 修回日期:  2024-09-18
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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