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基于LightGBM的广州市O3和PM2.5浓度预报订正

姜晓飞 张志森 姚爽 杨元琴

姜晓飞, 张志森, 姚爽, 杨元琴. 基于LightGBM的广州市O3和PM2.5浓度预报订正[J]. 热带气象学报, 2026, 42(1): 94-104. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2026.013
引用本文: 姜晓飞, 张志森, 姚爽, 杨元琴. 基于LightGBM的广州市O3和PM2.5浓度预报订正[J]. 热带气象学报, 2026, 42(1): 94-104. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2026.013
JIANG Xiaofei, ZHANG Zhisen, YAO Shuang, YANG Yuanqin. Correction of O3 and PM2.5 Concentration Forecast in Guangzhou Based on LightGBM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2026, 42(1): 94-104. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2026.013
Citation: JIANG Xiaofei, ZHANG Zhisen, YAO Shuang, YANG Yuanqin. Correction of O3 and PM2.5 Concentration Forecast in Guangzhou Based on LightGBM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2026, 42(1): 94-104. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2026.013

基于LightGBM的广州市O3和PM2.5浓度预报订正

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2026.013
基金项目: 

国家自然科学基金 42375019

详细信息
    通讯作者:

    张志森,男,江苏省人,高级工程师,主要从事大气化学模式和人工智能应用研究。E-mail:zhangzs@cma.gov.cn

  • 中图分类号: Z831

Correction of O3 and PM2.5 Concentration Forecast in Guangzhou Based on LightGBM

  • 摘要: 为了提升空气质量模式对广州市O3和PM2.5浓度预报精度,基于广州市国控站的O3和PM2.5浓度观测以及模式逐小时预报数据,使用Lightgbm算法对0~24小时、24~48小时、48~72小时三种时效的O3和PM2.5浓度模式预报建立订正模型,并利用SHAP方法对订正模型进行解释分析。结果表明:Lightgbm订正模型能够较好提升各站点以及各预报时效的O3和PM2.5浓度预报,订正后各站点的误差分布更一致且明显减小,随着预报时效的增加,订正模型对预报提升的效果略有降低。从各时效总体的订正效果看,O3浓度与观测间的均方根误差、平均绝对偏差、相关系数分别由39.5 μg·m-3、30.3 μg·m-3、0.61提升为23.3 μg·m-3、16.9 μg·m-3、0.86,PM2.5浓度与观测间的均方根误差、平均绝对偏差、相关系数分别由18.3 μg·m-3、12.7 μg·m-3、0.26提升为9.7 μg·m-3、6.9 μg·m-3、0.76。不同时效订正模型中的重要特征差异不大,对于O3浓度订正模型,最重要的特征主要有O3浓度、温度、相对湿度、NO2、短波辐射、风向风速等,对于PM2.5浓度订正模型,最重要的特征主要有气压、空气质量指数、温度、相对湿度、气压、PM10、O3、风向风速等,各特征对订正模型的影响符合O3和PM2.5的生成和累积机理。个例分析进一步证明了订正模型的效果和实用性。

     

  • 图  1  广州市20个国控站位置

    图  2  各观测站不同时效O3浓度预报RMSE,订正前(a、d、g,单位:μg·m-3)、订正后(b、e、h,单位:μg·m-3)以及RMSE减小百分比(c、f、i,单位:%)

    a、b、c为0~24小时预报,d、e、f为24~48小时预报,g、h、i为48~72小时预报。

    图  3  各观测站不同时效PM2.5浓度预报RMSE,订正前(a、d、g,单位:μg·m-3)、订正后(b、e、h,单位:μg·m-3)以及RMSE减小百分比(c、f、i,单位:%)

    a、b、c为0~24小时预报,d、e、f为24~48小时预报,g、h、i为48~72小时预报。

    图  4  订正前(a,c)、订正后(b,d)O3(a,b)、PM2.5(c,d)浓度观测与预报数据密度分布情况

    图  5  0~24小时(a,d),24~48小时(b,e),48~72小时(c,f)预报时效O3(a,b,c)和PM2.5(d,e,f)浓度预报订正模型特征重要性

    图  6  不同变量间的相关性

    图  7  2024年8月24—26日各要素预报与观测对比

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-30
  • 修回日期:  2025-10-18
  • 网络出版日期:  2026-03-14
  • 刊出日期:  2026-02-20

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