ISSN 1004-4965

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基于LGU-Net的数值天气预报融合订正方法

吴鲲鹏 袁建富 赵宇恒 王璐

吴鲲鹏, 袁建富, 赵宇恒, 王璐. 基于LGU-Net的数值天气预报融合订正方法[J]. 热带气象学报, 2025, 41(6): 859-871. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.072
引用本文: 吴鲲鹏, 袁建富, 赵宇恒, 王璐. 基于LGU-Net的数值天气预报融合订正方法[J]. 热带气象学报, 2025, 41(6): 859-871. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.072
WU Kunpeng, YUAN Jianfu, ZHAO Yuheng, WANG Lu. Fusion Correction Method for Numerical Weather Forecast Based on LGU-Net[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(6): 859-871. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.072
Citation: WU Kunpeng, YUAN Jianfu, ZHAO Yuheng, WANG Lu. Fusion Correction Method for Numerical Weather Forecast Based on LGU-Net[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(6): 859-871. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.072

基于LGU-Net的数值天气预报融合订正方法

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.072
详细信息
    通讯作者:

    吴鲲鹏,男,吉林省人,硕士,主要从事深度学习、气象预测等领域的研究。E-mail: 451926128@qq.com

  • 中图分类号: P456.7

Fusion Correction Method for Numerical Weather Forecast Based on LGU-Net

  • 摘要: 数值天气预报是现代天气预报的主流技术方法,近年来一直在向精细化方向发展,但预报误差仍无法完全避免。本研究提出了基于LSTM-GAM-UNet(LGU-Net)的数值预报偏差订正模型,该模型在CU-Net的基础上引入了长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)结构和全局注意力机制(Global Attention Mechanism, GAM),进一步融合多种气象要素、“吉林一号”卫星获取的地形特征以及卫星云图,构建多要素融合订正模型,并专门针对气象预报领域进行了优化设计。在中国东北地区进行实验,对美国国家环境预报中心的全球预报系统(Global Forecast System, GFS)数值预报模式中2 m温度(T2)、2 m露点温度(D2)、10 m的风速(U10、V10)和降水量进行订正,并进行了不同模型的偏差订正实验和对比分析。通过与GFS数值预报模式原始预报结果、模式距离积分订正预报法(Anomaly Numerical-correction with Observation, ANO)订正结果以及CU-Net方法订正结果进行对比,结果表明LGU-Net模型能有效改进数值预报订正效果。此外,云图数据的加入对降水量订正有着明显的正向增益效果,其均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)相对于GFS分别提升了80.76%和76.04%。本研究为高精度气象要素预报提供了新的技术支持。

     

  • 图  1  实验区位置

    图  2  LGU-Net结构

    图  3  LSTM模型结构

    图  4  GAM注意力机制

    图  5  偏差订正流程图

    图  6  T2订正误差分布图

    图  7  降水订正误差分布图

    表  1  T2订正结果误差评价

    评价指标 ANO CU-Net LGU-Net(单) LGU-Net(多) GFS
    RMSE/℃ 3.658 2.423 1.832 1.011 4.738
    MAE/℃ 2.254 1.539 1.214 0.823 3.124
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    表  2  D2订正结果误差评价

    评价指标 ANO CU-Net LGU-Net(单) LGU-Net(多) GFS
    RMSE/m 3.435 2.950 1.965 1.124 5.245
    MAE/m 2.171 1.586 1.277 0.923 3.715
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    表  3  U10订正结果误差评价

    阈值 评价指标 ANO CU-Net LGU-Net(单) LGU-Net(多) GFS
    / RMSE/(m·s-1) 2.658 1.744 1.436 0.850 3.412
    MAE/(m·s-1) 1.957 1.330 1.023 0.650 1.825
    0.2 m·s-1 POD/(m·s-1) 0.72 0.77 0.79 0.88 0.67
    FAR/(m·s-1) 0.70 0.65 0.58 0.51 0.72
    CSI/(m·s-1) 0.36 0.39 0.44 0.48 0.34
    10 m·s-1 POD/(m·s-1) 0.19 0.32 0.35 0.40 0.14
    FAR/(m·s-1) 0.68 0.56 0.46 0.34 0.78
    CSI/(m·s-1) 0.22 0.25 0.29 0.30 0.17
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    表  4  V10订正结果误差评价

    阈值 评价指标 ANO CU-Net LGU-Net(单) LGU-Net(多) GFS
    / RMSE/(m·s-1) 2.374 1.678 1.396 0.894 3.737
    MAE/(m·s-1) 1.850 1.265 0.987 0.671 1.730
    0.2 m·s-1 POD/(m·s-1) 0.73 0.76 0.81 0.89 0.69
    FAR/(m·s-1) 0.65 0.61 0.58 0.49 0.70
    CSI/(m·s-1) 0.34 0.39 0.47 0.51 0.32
    10 m·s-1 POD/(m·s-1) 0.20 0.34 0.33 0.41 0.15
    FAR/(m·s-1) 0.63 0.54 0.46 0.33 0.77
    CSI/(m·s-1) 0.23 0.27 0.31 0.37 0.19
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    表  5  降水量订正结果误差评价

    阈值 评价指标 ANO CU-Net LGU-Net(无云图) LGU-Net(云图) GFS
    / RMSE/(mm·h-1) 3.374 3.005 1.367 0.912 4.741
    MAE/(mm·h-1) 2.150 2.074 1.170 0.633 2.642
    0.1 mm·h-1 POD/(mm·h-1) 0.79 0.85 0.89 0.91 0.70
    FAR/(mm·h-1) 0.68 0.64 0.59 0.48 0.72
    CSI/(mm·h-1) 0.28 0.31 0.39 0.50 0.24
    7.0 mm·h-1 POD/(mm·h-1) 0.19 0.25 0.30 0.42 0.15
    FAR/(mm·h-1) 0.64 0.50 0.43 0.32 0.73
    CSI/(mm·h-1) 0.20 0.29 0.34 0.39 0.15
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    表  6  消融实验评价结果

    评价指标 阈值 模型 3h 6h 9h 12h 15h 18h 21 h 24 h 平均
    RMSE/(mm·h-1) / U-Net 2.500 2.645 2.801 2.953 3.102 3.251 3.398 3.549 2.977
    LU-Net 2.187 2.195 2.203 2.212 2.220 2.228 2.236 2.244 2.263
    GU-Net 0.902 1.501 1.799 2.050 2.301 2.450 2.600 2.751 1.914
    LGU-Net 0.903 0.911 0.904 0.908 0.912 0.905 0.910 0.906 0.912
    MAE/(mm·h-1) / U-Net 1.452 1.583 1.754 1.923 2.134 2.345 2.568 2.788 2.067
    LU-Net 1.309 1.321 1.333 1.345 1.357 1.369 1.381 1.393 1.362
    GU-Net 0.612 0.724 0.856 1.012 1.165 1.321 1.489 1.654 1.147
    LGU-Net 0.638 0.645 0.634 0.631 0.637 0.642 0.639 0.635 0.633
    POD/(mm·h-1) 0.1 U-Net 0.76 0.75 0.74 0.70 0.70 0.66 0.65 0.64 0.70
    LU-Net 0.76 0.77 0.79 0.76 0.77 0.78 0.76 0.76 0.77
    GU-Net 0.90 0.88 0.85 0.82 0.79 0.76 0.74 0.72 0.82
    LGU-Net 0.92 0.91 0.90 0.91 0.92 0.90 0.91 0.92 0.91
    FAR/(mm·h-1) 0.1 U-Net 0.61 0.61 0.64 0.65 0.69 0.69 0.73 0.74 0.66
    LU-Net 0.60 0.61 0.60 0.62 0.58 0.60 0.61 0.60 0.60
    GU-Net 0.48 0.51 0.51 0.53 0.57 0.58 0.59 0.63 0.57
    LGU-Net 0.48 0.47 0.46 0.48 0.47 0.48 0.46 0.47 0.48
    CSI/(mm·h-1) 0.1 U-Net 0.37 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.28 0.33
    LU-Net 0.36 0.37 0.38 0.37 0.36 0.37 0.38 0.37 0.37
    GU-Net 0.48 0.46 0.45 0.43 0.42 0.41 0.41 0.39 0.43
    LGU-Net 0.48 0.51 0.50 0.49 0.50 0.51 0.50 0.49 0.50
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-10
  • 修回日期:  2025-05-11
  • 网络出版日期:  2026-01-04
  • 刊出日期:  2025-12-20

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