ISSN 1004-4965

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基于改进U-Net模型的湖南地区定量降水预报订正试验

周莉 许霖 陈鹤 兰明才 欧小锋 周悦 谢忆南 肖思晗

周莉, 许霖, 陈鹤, 兰明才, 欧小锋, 周悦, 谢忆南, 肖思晗. 基于改进U-Net模型的湖南地区定量降水预报订正试验[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1005-1017. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.089
引用本文: 周莉, 许霖, 陈鹤, 兰明才, 欧小锋, 周悦, 谢忆南, 肖思晗. 基于改进U-Net模型的湖南地区定量降水预报订正试验[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1005-1017. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.089
ZHOU Li, XU Lin, CHEN He, LAN Mingcai, OU Xiaofeng, ZHOU Yue, XIE Yinan, XIAO Sihan. Research on Quantitative Precipitation Correction Forecasting Based on the Improved U-Net Model in Hunan[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1005-1017. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.089
Citation: ZHOU Li, XU Lin, CHEN He, LAN Mingcai, OU Xiaofeng, ZHOU Yue, XIE Yinan, XIAO Sihan. Research on Quantitative Precipitation Correction Forecasting Based on the Improved U-Net Model in Hunan[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1005-1017. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.089

基于改进U-Net模型的湖南地区定量降水预报订正试验

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.089
基金项目: 

湖南省自然科学基金项目-青年基金 2022JJ40214

湖南省气象局2022年重点课题 XQKJ22A005

中国气象局创新发展专项 CXFZ2023J025

中国气象局气象能力提升联合研究专项 23NLTSZ005

全国暴雨研究开放基金 BYKJ2024M08

详细信息
    通讯作者:

    许霖,女,湖南省人,研究员级高级工程师,主要从事天气预报预测研究工作。E-mail:475871112@qq.com

  • 中图分类号: P435

Research on Quantitative Precipitation Correction Forecasting Based on the Improved U-Net Model in Hunan

  • 摘要: 利用2017—2022年汛期(4—9月)湖南省1 912个地面观测站降水实况和欧洲中心中期天气预报一体化预报系统(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts-Integrated Forecasting System,ECMWFIFS)最优因子集,在一种U型语义分割网络(U-Net模型)基础上结合残差网络和注意力机制网络,构建了逐时降水订正预报模型(SARU),并将模型2023年汛期预报结果与最优TS评分订正法(OTS)以及中国气象局上海数值预报模式系统(CMA-SH9)进行对比。(1) SARU模型整体的晴雨准确率、相关系数(COR)、平均绝对误差(MAE)、偏差(BIAS)分别为0.87、0.17、0.35、0.73,皆优于OTS模型和CMA-SH9模式,尤其在湘中地区,SARU模型对于预报趋势和量级有明显优势,其空报率和漏报率比例基本相当,OTS模型漏报率远超空报率,CMA-SH9则正好相反。(2) SARU模型对于分级降水频次的预报较OTS模型和CMA-SH9模式更接近实况,尤其是20 mm以上降水频次,预报偏少27.29%,远优于OTS模型预报的偏少85.54% 和CMA-SH9模式的偏多95.50%。(3) 对于小时雨量[5,10)、[10,20)和≥ 20 mm这三个级别的降水,SARU模型TS、命中率(POD)、空报率(FAR)、漏报率(MAR)皆最优,尤其短时强降水,SARU模型较CMA-SH9模式有明显优势,而OTS模型的预报能力则明显不足。(4) 湖南存在明显的夜雨特征,夜间时段(北京时02—08时)短时强降水频次明显高于其他时段。SARU模型很好地把握了夜间短时强降水特征,TS在夜间明显升高,尤其是在北京时05时达到峰值(0.07左右),明显优于CMA-SH9模式和OTS模型。

     

  • 图  1  研究区域范围格点数

    虚线矩形框为原始降水分析场的覆盖范围,实线矩形为裁剪后的研究范围,格距为0.05。

    图  2  U-Net网络下采样设置

    图  3  U-Net网络结构参数

    图  4  各量级降水TS寻找最优阈值图

    a. [0.1,5);b. [5,10);c. [10,20);d. ≥20。

    图  5  逐小时降水预报晴雨准确率空间分布

    a. SARU;b. OTS;c. CMA-SH9。

    图  6  逐小时降水预报COR空间分布

    a. SARU;b. OTS;c. CMA-SH9。

    图  7  逐小时降水预报MAE空间分布

    a. SARU;b. OTS;c. CMA-SH9。

    图  8  2023年汛期小时雨量≥20 mm降水预报TS空间分布

    a. SARU;b. OTS;c. CMA-SH9。

    图  9  2023年汛期短时强降水预报TS和实况频次随时间的变化

    a. 世界时00时次起报;b. 世界时12时次起报。

    表  1  最优预报因子集

    要素 物理意义
    地面(13个) 2T 地面两米气温
    MN2T3 3 h最低气温
    MX2T3 3 h最高气温
    SKT 体感温度
    LCC 自由对流高度
    TCC 总云量
    TCW 整层气柱水含量
    TCWV 总体积水汽含量
    MSL 平均海平面气压
    VIS 能见度
    TP 总降水量
    CP 云压
    LSP 自由对流高度
    高空(46个) U(150/250/400/700/800/850 hPa) 150/250/400/700/800/850 hPa U
    V(150/250/400/700/800/850 hPa) 150/250/400/700/800/850 hPa V
    GH (800/850/900/925/950/1 000 hPa) 800/850/900/925/950/1 000 hPa高度
    T(800/850/900/925/950/1 000 hPa) 800/850/900/925/950/1 000 hPa温度
    R(200/250/300/400/500/600/700/800/900/925/950/1 000 hPa) 200/250/300/400/500/600/700/800/900/925/950/1 000 hPa相对湿度
    Q(300/400/500/600/700/800/850/900/925/1 000 hPa) 300/400/500/600/700/800/850/900/925/1 000 hPa比湿
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    表  2  各量级TS最优阈值

    量级 [0.1,5) [5,10) [10,20) ≥20
    阈值 0.1 mm 5.4 mm 11.5 mm 22.3 mm
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    表  3  逐小时降水预报整体评估

    指标 SARU OTS CMA-SH9
    晴雨准确率 0.868 0.789 0.847
    COR 0.166 0.146 0.088
    MAE 0.349 0.377 0.446
    BIAS 0.731 0.145 1.954
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    表  4  2023年汛期逐小时分级降水划分和占比情况

    分级 降水量划分/mm 占比 降水说明
    级别1 < 0.1 89.491% 无降雨
    级别2 [0.1,5) 9.505% -
    级别3 [5,10) 0.583% -
    级别4 [10,20) 0.298% -
    级别5 ≥20 0.124% 短时强降雨
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    表  5  2023年汛期逐小时分级降水预报频次与实况对比

    量级划分 < 0.1 [0.1,5) [5,10) [10,20) ≥20
    观测 频次 12 513 431 1 329 075 81 485 41 627 17 343
    SARU 频次 12 110 086 1 720 572 102 749 36 943 12 611
    相对误差 -3.223% 29.456% 26.096% -11.252% -27.285%
    OTS 频次 10 859 910 2 968 872 111 731 39 940 2 508
    相对误差 -13.214% 123.379% 37.118% -4.053% -85.539%
    CMA-SH9 频次 12 032 641 1 723 544 123 608 69 263 33 905
    相对误差 -3.842% 29.680% 51.694% 66.390% 95.497%
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    表  6  2023年汛期逐小时分级降水预报评估

    分级/mm 指标 SARU OTS CMA-SH9
    [0.1,5) TS 0.257 0.191 0.207
    POD POD 0.526 0.399
    FAR 0.640 0.769 0.699
    MAR 0.527 0.474 0.601
    [5,10) TS 0.040 0.032 0.024
    POD 0.087 0.074 0.060
    FAR 0.931 0.946 0.962
    MAR 0.913 0.926 0.940
    [10,20) TS 0.020 0.017 0.014
    POD 0.037 0.032 0.036
    FAR 0.958 0.966 0.978
    MAR 0.963 0.968 0.964
    ≥20 TS 0.015 0.001 0.007
    POD 0.026 0.001 0.021
    FAR 0.964 0.992 0.989
    MAR 0.974 0.999 0.977
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-30
  • 修回日期:  2024-10-08
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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