ISSN 1004-4965

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基于DWT-CNN-LSTM逐日气温预测模型研究

樊姝琪 刘慧铭 庄润杰 王诗雨 温永仙

樊姝琪, 刘慧铭, 庄润杰, 王诗雨, 温永仙. 基于DWT-CNN-LSTM逐日气温预测模型研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1063-1073. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.093
引用本文: 樊姝琪, 刘慧铭, 庄润杰, 王诗雨, 温永仙. 基于DWT-CNN-LSTM逐日气温预测模型研究[J]. 热带气象学报, 2024, 40(6): 1063-1073. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.093
FAN Shuqi, LIU Huiming, ZHUANG Runjie, WANG Shiyu, WEN Yongxian. Daily Temperature Prediction Model Based on DWT-CNN-LSTM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1063-1073. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.093
Citation: FAN Shuqi, LIU Huiming, ZHUANG Runjie, WANG Shiyu, WEN Yongxian. Daily Temperature Prediction Model Based on DWT-CNN-LSTM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2024, 40(6): 1063-1073. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.093

基于DWT-CNN-LSTM逐日气温预测模型研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2024.093
基金项目: 

福建省自然科学基金项目 2021J01126

福建农林大学科技创新专项基金 KFb22094XA

详细信息
    通讯作者:

    温永仙,女,福建省人,教授,博士,从事生物统计与数据科学、数理统计应用研究。E-mail: wen9681@sina.com

  • 中图分类号: P456

Daily Temperature Prediction Model Based on DWT-CNN-LSTM

  • 摘要: 气温的准确预测对人类生产生活、农业等方面至关重要。针对传统气温预测方法难以捕捉数据的动态变化、预测精度差等问题,提出了一种融合离散小波变换(Discrete Wavelet Transformation, DWT)、卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)和长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)的组合气温预测模型。首先,利用DWT对原始气温观测数据进行分解与重构;其次,使用CNN进行特征提取,使用LSTM对提取的特征信息进行处理,以实现气温预测。同时采用均方根误差、平均绝对值误差和决定系数作为评价指标;最后,使用气温观测数据验证所提模型的有效性,并分别与LSTM模型、CNN-LSTM模型和DWT-LSTM模型进行对比分析。实验结果表明,与LSTM模型、CNN-LSTM模型和基于离散小波变换的LSTM模型相比,DWT-CNN-LSTM模型分别将RMSE降低了1.009 24,1.002 74,0.100 23,MAE降低了0.918 36,0.862 65,0.144 89,R2提高了0.047 03,0.046 62,0.004 00,验证了该模型在气温预测中的有效性。这一结果为气温预测领域提供了新的参考依据,并有望在未来得到更广泛的应用。

     

  • 图  1  3层小波分解示意图

    图  2  LSTM模型单元结构示意图

    图  3  DWT-CNN-LSTM预测模型预测流程图

    图  4  原始气温及4层小波分解结果

    图  5  不同预测模型的预测结果图

    图  6  气温预测值和真实值的对比散点图

    表  1  不同隐藏节点数的LSTM预测模型的预测结果

    隐藏节点数 RMSE MAE R2
    5 2.411 60 1.756 70 0.916 43
    10 2.309 30 1.639 73 0.923 80
    20 2.205 53 1.570 73 0.930 73
    50 2.181 73 1.562 47 0.932 23
    100 2.255 10 1.693 03 0.927 57
    200 2.290 20 1.636 53 0.925 27
    400 2.250 00 1.695 10 0.927 95
    500 2.262 80 1.617 25 0.927 05
    1 000 2.242 90 1.626 00 0.928 35
    1 500 2.230 667 1.611 239 0.927 628
    下载: 导出CSV

    表  2  不同Conv1D层数的CNN-LSTM预测模型的预测结果

    Conv1D层数 RMSE MAE R2
    1 2.185 75 1.557 67 0.931 99
    2 2.219 23 1.663 48 0.929 89
    3 2.238 79 1.702 04 0.928 65
    4 2.262 92 1.731 29 0.927 11
    下载: 导出CSV

    表  3  不同小波基函数和分解层数所对应的模型的预测结果

    小波基函数 小波分解层数 RMSE MAE R2
    sym2 1 1.903 28 1.368 73 0.947 80
    2 1.617 96 1.043 72 0.961 41
    3 1.657 27 1.270 84 0.957 93
    4 1.320 66 0.773 00 0.972 50
    5 1.284 45 0.769 31 0.973 40
    sym4 1 1.766 32 1.264 61 0.955 14
    2 1.473 13 0.957 77 0.968 00
    3 1.363 67 0.821 40 0.971 62
    4 1.269 46 0.802 37 0.974 49
    5 1.243 66 0.739 13 0.975 13
    sym6 1 1.768 26 1.172 99 0.955 07
    2 1.414 68 0.915 58 0.970 59
    3 1.302 72 0.773 99 0.974 07
    4 1.240 52 0.843 45 0.975 64
    5 1.230 76 0.834 30 0.975 64
    sym8 1 1.718 45 1.265 00 0.957 57
    2 1.418 34 0.891 77 0.970 38
    3 1.324 14 0.868 07 0.973 19
    4 1.236 19 0.741 62 0.975 84
    5 1.287 05 0.808 61 0.973 38
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    表  4  不同模型的预测结果对比

    预测模型 RMSE MAE R2
    ARIMA 8.411 16 7.293 94 -0.007 69
    指数平滑法 9.848 61 7.924 82 -0.381 55
    DWT-CNN-LSTM模型 1.229 53 0.743 19 0.976 10
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    表  5  不同模型的预测结果对比

    预测模型 RMSE MAE R2
    LSTM模型 2.221 94 1.660 67 0.929 72
    CNN-LSTM模型 2.215 44 1.604 96 0.930 13
    DWT-LSTM模型 1.312 93 0.887 20 0.9727 5
    DWT-CNN-LSTM模型 1.212 70 0.742 31 0.976 75
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-14
  • 修回日期:  2024-09-11
  • 网络出版日期:  2025-03-28
  • 刊出日期:  2024-12-20

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