ISSN 1004-4965

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基于深度学习的月平均2 m气温订正方法

方巍 王冰轮

方巍, 王冰轮. 基于深度学习的月平均2 m气温订正方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 906-917. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.079
引用本文: 方巍, 王冰轮. 基于深度学习的月平均2 m气温订正方法[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 906-917. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.079
FANG Wei, WANG Binglun. Correction of Monthly Average 2 m Temperature Prediction: A Method Based[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 906-917. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.079
Citation: FANG Wei, WANG Binglun. Correction of Monthly Average 2 m Temperature Prediction: A Method Based[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 906-917. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.079

基于深度学习的月平均2 m气温订正方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.079
基金项目: 

国家自然科学基金项目 42075007

国家自然科学基金项目 42475149

灾害天气国家重点实验室开放项目 2021LASWB19

江苏省研究生科研创新计划项目 KYCX22_1218

中国气象局交通气象重点开放实验室开放研究基金项目 BJG202306

中国气象局流域强降水重点开放实验室开放研究基金 No.2023BHR-Y14

详细信息
    通讯作者:

    方巍,男,安徽省人,教授,主要从事台风预报等气象人工智能研究。E-mail:hsfangwei@sina.com

  • 中图分类号: P456.5

Correction of Monthly Average 2 m Temperature Prediction: A Method Based

  • 摘要: 作为减少短期气候预测误差的技术,数据订正成为了重要的研究方向。而深度学习作为一种新兴方法已经应用到数据订正技术中,其中常用的模型是U-Net,但它存在不可避免的缺陷。第一,U-Net基于卷积神经网络,但是受限于卷积神经网络的小感受野,这导致U-Net不能从全局的角度学习空间特征;第二,U-Net的下采样操作容易丢失图像细节信息。这两点都影响了该模型的订正性能。因此采取以下两个措施进行改进,一是将原模型与能够学习图片全局特征的Vision Transformer有机结合起来,使其能够从全局的角度学习空间特征;二是引入UNet 3+模型中的全尺度连接操作,弥补原下采样中丢失的图像细节信息。改进之后的模型称为UNet-Former 3+,在CMIP6中月平均2 m气温的春季和冬季数据集上进行订正实验,ERA5为实验标签。模型会与分位数映射、岭回归、U-Net、CU-Net、Dense-CUnet和RA-UNet这六种订正方法进行对比。实验结果表明,此模型在两个季节的平均绝对误差都下降49%,均方根误差都下降57%,两者都低于上述六种方法。总之,UNet-Former 3+在春季和冬季的订正效果优于上述六种方法。

     

  • 图  1  UNet-Former 3+模型(以一张图片为例)

    图  2  没有全尺度连接的UNet-Former 3+

    图  3  每月MAE折线图(单位:K,下同)

    图  4  每个季节CMIP6的MAE空间分布图

    图  5  每个月的MAE折线图(左)和RMSE折线图(右)

    图  6  MAE空间分布图(类别从左到右依次为CMIP6、分位数映射、岭回归、U-Net、CU-Net、Dense-CUnet、RA-UNet和UNet-Former 3+)

    图  7  U-Net的春季MAE分布图(左)和UNet-Former 3+的春季MAE分布图(右)

    图  8  每个月份的消融实验结果

    图  9  MAE空间分布图(春、冬季节中3张图从左到右依次表示U-Net、无全尺度连接的UNet-Former 3+和UNet-Former 3+)

    图  10  2022年1月2 m气温空间分布图(类别从上到下、从左到右依次为CMIP6、分位数映射、岭回归、U-Net、CU-Net、Dense-CUnet、RA-UNet、UNet-Former 3+和ERA5)

    表  1  MAE和RMSE得分(单位:K)

    季节 方法 MAE RMSE
    CMIP6 3.782 4 5.374
    分位数映射 2.819 6 4.229 3
    岭回归 2.792 5 4.101 4
    U-Net 2.451 4 3.530 7
    CU-Net 2.317 0 3.255 3
    Dense-CUnet 2.476 0 3.667 5
    RA-UNet 2.296 5 3.260 2
    UNet-Former 3+ 1.931 7 2.745 8
    CMIP6 3.936 1 5.515 5
    分位数映射 3.769 1 5.804 7
    岭回归 3.521 8 5.301 4
    U-Net 2.766 7 3.770 4
    CU-Net 2.786 4 3.612 5
    Dense-CUnet 2.701 0 3.900 7
    RA-UNet 2.516 4 3.439 7
    UNet-Former 3+ 1.686 9 2.386 5
    下载: 导出CSV

    表  2  春、冬季消融实验的结果(单位:K)

    季节 ViT 全尺度连接 MAE RMSE
    2.451 4 3.530 7
    2.068 1 2.856 1
    1.931 7 2.745 8
    2.766 7 3.770 4
    1.780 6 2.483 5
    1.686 9 2.386 5
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-09
  • 修回日期:  2024-10-06
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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