ISSN 1004-4965

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基于可解释人工智能(XAI)的热带气旋直接经济损失评估研究

刘淑贤 刘扬 杨琨 张立生 张源达

刘淑贤, 刘扬, 杨琨, 张立生, 张源达. 基于可解释人工智能(XAI)的热带气旋直接经济损失评估研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 943-953. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.082
引用本文: 刘淑贤, 刘扬, 杨琨, 张立生, 张源达. 基于可解释人工智能(XAI)的热带气旋直接经济损失评估研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 943-953. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.082
LIU Shuxian, LIU Yang, YANG Kun, ZHANG Lisheng, ZHANG Yuanda. Assessment of Direct Economic Losses from Tropical Cyclones Based on Explainable Artificial Intelligence (XAI)[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 943-953. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.082
Citation: LIU Shuxian, LIU Yang, YANG Kun, ZHANG Lisheng, ZHANG Yuanda. Assessment of Direct Economic Losses from Tropical Cyclones Based on Explainable Artificial Intelligence (XAI)[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 943-953. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.082

基于可解释人工智能(XAI)的热带气旋直接经济损失评估研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.082
基金项目: 

国家气象中心青年基金项目 Q202413

详细信息
    通讯作者:

    刘淑贤,女,河南省人,高级工程师,主要从事气象灾害评估研究。E-mail: zhenzhen521_an@163.com

  • 中图分类号: P429

Assessment of Direct Economic Losses from Tropical Cyclones Based on Explainable Artificial Intelligence (XAI)

  • 摘要: 可解释人工智能(eXplainable Artificial Intelligence,XAI)已经成为人工智能研究领域的重要发展方向,该技术可以帮助解释模型如何做出预测和决策,在气象灾害评估领域具有较大应用价值。本研究旨在利用机器学习算法评估热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的直接经济损失,并采用XAI方法SHAP(SHapley Additive exPlanations),从全局和局部层面分析特征因素对模型预测的影响和贡献。结果表明,随机森林(Random Forest, RF)模型在均方根误差、平均绝对误差和决定系数这三个评估指标中均优于LightGBM(Light Gradient Boosting Machine)模型,指标值分别达到了23.6、11.1和0.9。根据SHAP值,RF模型中最重要的三个因素分别是极大风速、最大日雨量和暴雨站点比例。具体而言,当样本的极大风速值大于45 m ·s-1、最大日雨量值超过250 mm以及暴雨站点比例高于30%时,往往对TC直接经济损失预测值产生较大的正贡献。该研究可以为决策者制定灾害风险管理策略提供有力的科学依据和理论支持。

     

  • 图  1  2000—2020年我国各省每年热带气旋灾害发生频率

    图  2  2000—2020年我国由热带气旋造成的直接经济损失的趋势分布图

    黑色和红色实线分别代表去除通货膨胀前、后的直接经济损失值,虚线代表对应的平均值。

    图  3  基于可解释人工智能的TC直接经济损失评估模型流程图

    图  4  ML模型预测结果与真实值的对比分布图

    图  5  特征因子的平均绝对SHAP值(mean |SHAP|)分布

    图  6  极大风速(H3)、最大日雨量(H1)、暴雨站点比例(H2)和房屋竣工面积(V6)的SHAP依赖图

    图  7  基于2011年台风“梅花”影响山东(a)、浙江(b)和2016年台风“莫兰蒂”影响福建(c)、浙江(d)个例的SHAP预测瀑布图

    表  1  RF模型的参数调整范围及最优参数组合

    参数 含义及调整范围 最优参数取值
    min_samples_split 分裂内部节点所需的最少样本数[2, 5, 7, 9, 10] 7
    max_depth 决策树的最大深度[3, 4, 5, 6, 7] 5
    min_samples_leaf 叶子节点上所需的最少样本数[1, 3, 5, 7, 9] 5
    max_features 寻找最佳分裂时要考虑的特征数量[2, 4, 6, 8, 10] 6
    n_estimators 提升迭代次数[10, 50, 100, 150, 200] 150
    下载: 导出CSV

    表  2  基于不同ML模型的TC直接经济损失预测结果评估

    模型 RMSE MAE R²
    LightGBM 38.3 17.9 0.7
    RF 23.6 11.1 0.9
    SVR 74 29.3 0.3
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-04
  • 修回日期:  2024-08-19
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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