ISSN 1004-4965

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基于加权损失函数的我国近海海面风速预报

渠鸿宇 胡海川 钱传海 黄彬

渠鸿宇, 胡海川, 钱传海, 黄彬. 基于加权损失函数的我国近海海面风速预报[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 931-942. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.081
引用本文: 渠鸿宇, 胡海川, 钱传海, 黄彬. 基于加权损失函数的我国近海海面风速预报[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 931-942. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.081
QU Hongyu, HU Haichuan, QIAN Chuanhai, HUANG Bin. Prediction of Sea Surface Wind Speed in China's Offshore Areas Based on Weighted Loss Function[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 931-942. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.081
Citation: QU Hongyu, HU Haichuan, QIAN Chuanhai, HUANG Bin. Prediction of Sea Surface Wind Speed in China's Offshore Areas Based on Weighted Loss Function[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 931-942. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.081

基于加权损失函数的我国近海海面风速预报

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.081
基金项目: 

国家重点研发计划 2022YFC3004204

详细信息
    通讯作者:

    胡海川,男,北京市人,高级工程师,主要从事大风预报方法研究。E-mail:huhc1988@sina.com

  • 中图分类号: P456.9

Prediction of Sea Surface Wind Speed in China's Offshore Areas Based on Weighted Loss Function

  • 摘要: 数值模式的海面风速预报存在偏差,基于数值模式的统计模型虽然能在一定程度上减小偏差,但由于大风样本严重不足,其对大风的预报效果仍然差强人意。在系统检验ECMWF的24 h海面风速预报的基础上,利用XGBoost模型构建了适用于中国近海的海面风速预报订正模型。该模型不仅从整体上具有不错的预报准确度,还通过采用加权损失函数的训练方式,明显改善了大风的预报效果。利用2022年1月—2023年1月我国近海14个浮标观测数据对模型进行独立检验,模型的平均误差和均方根误差分别为0.11 m·s-1和1.75 m·s-1,其中,对于7~9级风,模型的预报准确度较ECMWF显著提高,均方根误差分别降低了15%、25%、24%。此外,当模型应用在未参与训练的网格点上时,模型仍然能获得较ECMWF更准确的预报。该模型操作方便容易使用,可为中国近海海面风速预报尤其是大风预报提供参考。

     

  • 图  1  浮标站点位置分布

    图例代表浮标站站号。

    图  2  观测风速频率分布

    图  3  观测的(横坐标)与ECMWF预报的(纵坐标)10 m风速的散点分布

    填色代表样本数,黑色实线为对角线,红色虚线为线性拟合回归线,左上角为拟合回归线方程,右上角为R2

    图  4  ECMWF预报在各风速区间下的平均误差和均方根误差

    图  5  ECMWF对不同站点预报的ME

    a. 风速小于4 m·s-1;b. 风速大于14 m·s-1

    图  6  风速的概率密度分布(a)和权重(b)

    图  7  No_Weight模型和Weight模型在不同风速区间下的ME(a)和RMSE(b)

    图  8  测试集观测和ECMWF(a)及FCM(b)预报的风速散点分布

    填色代表样本数,黑色实线为对角线,红色虚线为线性拟合回归线,右上角为拟合回归线方程和R2

    图  9  不同风力等级下ECMWF和FCM预报的ME(a)和RMSE(b)

    横坐标为风级和不同风级的样本量。

    图  10  FCM对不同站点在风速小于4 m·s-1(a)和大于14 m·s-1(b)条件下预报的RMSE

    填色代表站点RMSE,三角形(正方形)代表该站点RMSE低于(高于)ECMWF,其大小代表FCM的RMSE较ECMWF偏低(偏高)量。

    图  11  2022年1月13—22日00时700002站点观测及ECMWF和FCM预报的风速

    图  12  2022年10月3日12时ERA5观测的(a)以及ECMWF预报的(b)和FCM预报的(c)黄渤海海域风速分布

    填色代表风速大小。

    表  1  不同风速样本下各站点ME和RMSE的标准差、最小值和最大值

    样本 ME RMSE
    标准差 最小值 最大值 标准差 最小值 最大值
    总样本 0.31 -0.58 0.47 0.27 1.59 2.59
    < 4 m·s-1样本 0.49 0.64 2.70 0.60 1.56 4.02
    > 14 m·s-1s样本 0.61 -3.34 -1.27 0.53 1.85 3.65
    4~14 m·s-1样本 0.25 -0.64 0.20 0.14 1.50 2.02
    下载: 导出CSV

    表  2  备选预报因子

    要素名称 层次
    经向风 10 m、100 m、950 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa
    纬向风 10 m、100 m、950 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa
    气温 2 m、950 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa
    位势高度 950 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa
    相对湿度 950 hPa、850 hPa、700 hPa、500 hPa
    海平面气压 --
    下载: 导出CSV

    表  3  最佳预报因子组合

    要素名称 层次(预报时效)
    风速 10 m(00 h/24 h)、100 m(00 h/24 h)、950 hPa(00 h/24 h)、700 hPa(24 h)、500 hPa(00 h/24 h)
    风向 10 m(00 h/24 h)、100 m(24 h)、950 hPa(24 h)、850 hPa(24 h)、500 hPa(00 h/24 h)
    气温 2 m(00 h/24 h)、950 hPa(00 h/24 h)、850 hPa(00 h/24 h)、700 hPa(00 h)、500 hPa(24 h)
    位势高度 950 hPa(00 h/24 h)、850 hPa(00 h/24 h)、700 hPa(00 h)、500 hPa(24 h)
    相对湿度 950 hPa(24 h)、850 hPa(24 h)、500 hPa(24 h)
    海平面气压 海平面(00 h/24 h)
    下载: 导出CSV
  • [1] 许小峰, 顾建峰, 李永平. 海洋气象灾害[M]. 北京: 气象出版社, 2009.
    [2] 尹尽勇, 徐晶, 曹越男, 等. 我国海洋气象预报业务现状与发展[J]. 气象科技进展, 2012, 2(6): 17-26.
    [3] ZHENG C W, LI C Y, PAN J, et al. An overview of global ocean wind energy resource evaluations[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 53(1. ): 1 240-1 251.
    [4] MU M, DUAN W S, WANG J C. The predictability problems in numerical weather and climate prediction[J]. Adv Atmos Sci, 2002, 19(2): 191-204.
    [5] 季晓阳, 吴辉碇, 杨学联. 海面风场数值预报的历史和现状[J]. 海洋预报, 2005, 22(S1): 167-171.
    [6] 李敏, 王辉, 金啟华. 中国近海海面风场预报方法综述[J]. 海洋预报, 2009, 26(3): 114-120.
    [7] 高山红, 张新玲, 吴增茂. 渤海海面风场的一种动力诊断方法[J]. 海洋学报(中文版), 2001, 23(6): 51-58.
    [8] 毛绍荣, 林镇国, 梁健, 等. 广东沿海强东北季风的概率预报方法[J]. 热带气象学报, 2003, 17(1): 94-100.
    [9] 刘京雄, 唐文伟, 朱持则, 等. 浙闽沿海和台湾海峡海域冬季大风风速计算方法探讨[J]. 台湾海峡, 2004, 23(1): 8-13.
    [10] 林良勋, 程正泉, 张兵, 等. 完全预报(PP)方法在广东冬半年海面强风业务预报中的应用[J]. 应用气象学报, 2004, 15(4): 485-493.
    [11] 周伟隆, 陈往溪, 肖巍. 粤东海面冷空气强风的统计分析与预报[J]. 广东气象, 2005(4): 20-22.
    [12] TAMBKE J, LANGE M, FOCKEN U, et al. Forecasting offshore wind speeds above the North Sea[J]. Wind Energy, 2005, 8(1): 3-16.
    [13] 陈德花, 刘铭, 苏卫东, 等. BP人工神经网络在MM5预报福建沿海大风中的释用[J]. 暴雨灾害, 2010, 29(3): 263-267.
    [14] 薄文波, 高山红, 王永明. 基于WRF模式的渤海海面风的预报与订正[J]. 海洋湖沼通报, 2013(3): 37-44.
    [15] 荣艳敏, 阎丽凤, 盛春岩, 等. 山东精细化海区风的MOS预报方法研究[J]. 海洋预报, 2015, 32(3): 59-67.
    [16] PARVIZ L. A novel ensemble wind speed forecasting method using the differential weighting scheme and principal component analysis[J]. Időjárás, 2023, 127(1): 55-76.
    [17] 胡海川, 赵伟, 董林. 概率密度匹配方法在我国近海海面10 m风速预报中的应用[J]. 热带气象学报, 2021, 37(1): 91-101.
    [18] YANG Y Z, ZHA K W, CHEN Y C, et al. Delving into Deep Imbalanced Regression[C]// Proceedings of the 38th International Conference on Machine Learning. PMLR, 2021: 11 842-11 851[2024-03-06].
    [19] CHAWLA N V, BOWYER K W, HALL L O, et al. SMOTE: synthetic minority over-sampling technique[J]. Journal of artificial intelligence research, 2002, 16(1): 321-357.
    [20] HE H, BAI Y, GARCIA E A, et al. ADASYN: Adaptive synthetic sampling approach for imbalanced learning[C]//2008 IEEE international joint conference on neural networks (IEEE world congress on computational intelligence). IEEE, 2008: 1 322-1 328[2024-04-01].
    [21] GARCÍA S, HERRERA F. Evolutionary undersampling for classification with imbalanced datasets: Proposals and taxonomy[J]. Evolutionary computation, 2009, 17(3): 275-306.
    [22] HUANG C, LI Y, LOY C C, et al. Learning deep representation for imbalanced classification[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. [2024-04-01].
    [23] DONG Q, GONG S, ZHU X. Imbalanced deep learning by minority class incremental rectification[J]. IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence, 2018, 41(6): 1 367-1 381.
    [24] CAO K, WEI C, GAIDON A, et al. Learning imbalanced datasets with label-distribution-aware margin loss[J]. Advances in Neural information processing systems, 2019, 32[2024-04-01].
    [25] CHEN T Q, HE T, BENESTY M, et al. XGBoost: Extreme Gradient Boosting[CP/OL]. R package version 0.4-2, 2015. https://CRAN.R-project.org/package=xgboost.
    [26] DIEBOLD F X, MARIANO R S. Comparing Predictive Accuracy[J]. Journal of Business & Economic Statistics, 2002, 20(1): 134-144.
    [27] AKIBA T, SANO S, YANASE T, et al. Optuna: A Next-generation Hyperparameter Optimization Framework[A]. arXiv, 2019[2023-11-08].
    [28] KOHAVI R. A study of cross-validation and bootstrap for accuracy estimation and model selection[C]//Ijcai. Montreal, Canada, 1995: 1 137-1 145.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-12
  • 修回日期:  2024-08-28
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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