ISSN 1004-4965

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基于深度学习模型集成的日最高和最低气温订正预报研究

卢姝 郭可萌 周悦 傅承浩 许霖 顾雪

卢姝, 郭可萌, 周悦, 傅承浩, 许霖, 顾雪. 基于深度学习模型集成的日最高和最低气温订正预报研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1018-1029. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.090
引用本文: 卢姝, 郭可萌, 周悦, 傅承浩, 许霖, 顾雪. 基于深度学习模型集成的日最高和最低气温订正预报研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1018-1029. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.090
LU Shu, GUO Kemeng, ZHOU Yue, FU Chenghao, XU Lin, GU Xue. Daily Maximum and Minimum Temperature Forecasts Correction Based on Deep Learning Model Ensemble[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1018-1029. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.090
Citation: LU Shu, GUO Kemeng, ZHOU Yue, FU Chenghao, XU Lin, GU Xue. Daily Maximum and Minimum Temperature Forecasts Correction Based on Deep Learning Model Ensemble[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1018-1029. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.090

基于深度学习模型集成的日最高和最低气温订正预报研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.090
基金项目: 

湖南省气象局2024年创新发展专项 青年专项,CXFZ2024-QNZX23

湖北省自然科学基金气象联合基金 2023AFD096

武汉市自然科学基金项目 2024020901030454

详细信息
    通讯作者:

    周悦,男,江西省人,研究员,主要从事云雾降水宏微观特征和预报方法的相关研究。E-mail: zhouyue8510@163.com

  • 中图分类号: P45

Daily Maximum and Minimum Temperature Forecasts Correction Based on Deep Learning Model Ensemble

  • 摘要: 采用2018—2023年中国气象局陆面数据同化系统的气温资料以及欧洲中期天气预报中心的高分辨率模式预报产品(ECMWF-IFS),分别建立基于时空堆叠的残差网络(Res-STS)以及基于自注意力(Self-Attention)机制的长短期记忆网络(Attention-LSTM),并将两个模型进行集成,构建集成神经网络模型(Ensemble),得到涵盖湖南地区的0.05 °×0.05 °气温网格日最高、最低气温预报产品。结果表明:深度学习模型均有效改善了ECMWF-IFS预报效果,0—24 h预报时效日最高气温的平均绝误差(MAE)相比ECMWF-IFS和中央气象台指导报(SCMOC)分别降低了25.76%~40.40%和15.03%~31.79%,日最低气温的MAE分别降低了10.53%~31.58%和5.31%~19.47%,其中Ensemble模型在绝大多数月份的预报效果均是最优。同时,Ensemble模型有效弥补了ECMWF-IFS对地形复杂区域预报效果弱的缺陷,日最高气温预报准确率(F2)达85% 的面积占比为17.31%,而其余模型低于6%;日最低气温F2达90%的面积占比为68.63%,高出单一模型21.08%~63.09%。由此可见,多模型集成能够显著提高气温预报的准确性和可靠性。

     

  • 图  1  湖南省地形图

    图  2  Res-STS模型结构

    图  3  Attention-LSTM模型结构

    图  4  ECMWF-IFS(a、f)、SCMOC(b、g)、Res-STS(c、h)、Attention-LSTM(d、i)和Ensemble(e、j)模型日最高气温(a~e)和日最低气温(f~j)产品的F2空间分布

    图  5  不同模型在湖南境内格点日最高气温(a)和日最低气温(b)预报的F2频率直方图

    图  6  不同模型日最高气温(a,c)和日最低气温(b,d)产品的逐月MAE(a,b)和F2(c,d)对比

    图  7  ECMWF-IFS(a、f)、SCMOC(b、g)、Res-STS(c、h)、Attention-LSTM(d、i)和Ensemble(e、j)在2023年4月23日08时日最高气温(a~e)和日最低气温(f~j)预报值与观测值差值的空间分布

    表  1  预报因子选取

    气压层 要素
    地面 海平面气压、总降水量、10 m经向风*、10 m纬向风*、2 m温度*、2 m露点温度*
    1 000 hPa 相对湿度、散度
    925 hPa 相对湿度、散度、温度*
    850 hPa 纬向风*、温度*、相对湿度
    700 hPa 经向风*、温度*
    600 hPa 相对湿度
    500 hPa 经向风、纬向风、温度*、相对湿度
    标注*为通过相关分析筛选的因子。
    下载: 导出CSV

    表  2  不同模型在不同起报时次日最高、最低气温产品的评估指标对比

    起报时次 模型 日最高气温 日最低气温
    F2/% R MAE/℃ ACC F2/% R MAE/℃ ACC
    08 ECMWF-IFS 57.04 0.97 1.98 0.70 78.31 0.98 1.33 0.64
    SCMOC 64.36 0.97 1.73 0.79 84.10 0.99 1.13 0.79
    Res-STS 73.35 0.98 1.47 0.76 82.22 0.99 1.19 0.77
    Attention-LSTM 82.20 0.99 1.20 0.86 90.05 0.99 0.93 0.86
    Ensemble 82.33 0.99 1.18 0.86 90.53 0.99 0.92 0.86
    20 ECMWF-IFS 54.77 0.96 2.06 0.68 78.12 0.98 1.33 0.65
    SCMOC 60.59 0.97 1.84 0.77 84.16 0.98 1.13 0.79
    Res-STS 72.12 0.98 1.51 0.76 85.86 0.99 1.07 78
    Attention-LSTM 78.57 0.98 1.31 0.84 88.67 0.99 0.98 0.85
    Ensemble 80.10 0.98 1.26 0.85 90.93 0.99 0.91 0.86
    下载: 导出CSV

    表  3  本次强降温过程不同模型表现效果评估

    类型 模型 不同时间模型表现效果(MAE/℃)
    4月21日08时—22日08时
    (开始降温)
    4月22日08时—23日08时
    (降温最剧烈)
    4月24日08时—25日08时
    (开始升温)
    4月21日08时—25日08时
    全过程)
    日最高气温 ECMWF-IFS 1.41 2.46 1.53 1.86
    SCMOC 1.23 2.43 1.42 1.86
    Res-STS 1.96 1.23 0.85 1.25
    Attention-LSTM 1.01 2.23 0.94 1.3
    Ensemble 1.28 1.33 0.78 1.06
    日最低气温 ECMWF-IFS 1.94 1.32 0.85 1.30
    SCMOC 1.82 1.12 0.77 1.15
    Res-STS 1.27 1.05 0.88 1.05
    Attention-LSTM 1.77 1.15 0.62 1.09
    Ensemble 1.41 1.00 0.57 0.96
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-30
  • 修回日期:  2024-10-28
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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