CN116562142B - 一种气象要素延伸期预报方法及装置 - Google Patents

一种气象要素延伸期预报方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气象要素延伸期预报方法及装置,所述方法包括:将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND‑Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。本发明在一般的深度学习模型基础上加入了动力降尺度环节,改良了传统深度学习预报方法忽视大气动力学制约条件的缺点,提高了延伸期气象要素预报时空分辨率,改善了延伸期预报的预报效果。

Description

一种气象要素延伸期预报方法及装置
技术领域
本发明属于气象预报技术领域,具体涉及一种气象要素延伸期预报方法及装置。
背景技术
气象要素的延伸期预报指预报时效为10-30天的预报,介于中期天气预报以及短期气候预测之间,长期以来都是气象界难以彻底解决的一个科学问题。同时,延伸期预报也是构建“无缝预报”体系关键环节,对于延伸期预报提出一个可靠可行的解决方案将极大推动气象预测事业的快速发展。
传统的基于深度学习方法的气象要素延伸期预报往往着眼于气象要素之间统计关系的挖掘而忽视了大气系统内部的动力关系对各个要素的制约,导致预报结果出现较大误差,同时对预报的时空分辨率也有较大限制。
发明内容
为解决现有技术中的不足,本发明提供一种气象要素延伸期预报方法及装置,提高了延伸期气象要素预报时空分辨率,改善了延伸期预报的预报效果。
为达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
第一方面,提供一种气象要素延伸期预报方法,包括:将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
进一步地,所述SAND-Net模型的训练方法,包括:获取历史气象资料,所述历史气象资料中包括若干高空变量场和地面要素场;用滤波方法提取指定时间段的气象资料中的低频分量;以提取的指定时间段的气象资料中的低频分量作为训练集对所述SAND-Net模型进行训练。
进一步地,所述SAND-Net模型包含自注意力机制以及非退化机制;自注意力机制由压缩和激励模块实现;非退化机制由残差块实现。
进一步地,所述高空变量场包括位势、温度、径向风、纬向风和相对湿度中的至少一个;所述地面要素场包括2m露点温度、平均海平面气压、积雪深度、地表温度、地表气压、2m温度、10m径向风和10m纬向风中的至少一个。
进一步地,所述低频变量场包括土壤湿度、土壤温度、海表温度和海冰覆盖度中的至少一个;所述常量场包括地形和海陆掩膜中的至少一个。
第二方面,提供一种气象要素延伸期预报装置,包括:第一预报模块,用于将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;第二预报模块,用于将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
第三方面,提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时,实现如第一方面所述的气象要素延伸期预报方法。
第四方面,提供一种计算机设备,包括:存储器,用于存储指令;处理器,用于执行所述指令,使得所述设备执行实现如第一方面所述的气象要素延伸期预报方法的操作。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:本发明通过将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果;在一般的深度学习模型基础上加入了动力降尺度环节,改良了传统深度学习预报方法忽视大气动力学制约条件的缺点,提高了延伸期气象要素预报时空分辨率,改善了延伸期预报的预报效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种气象要素延伸期预报方法的整体结构示意图;
图2是本发明实施例中SAND-Net模型的整体结构示意图,其中,(a)是卷积块的结构示意图,(b)是压缩和激励模块的结构示意图,(c)是残差块的结构示意图;
图3是本发明与美国国家环境预报中心(NCEP)的气候预测系统(CFS)以及气候值预报对2021年夏季2m温度5-22天预报效果对比图(预报结果与同时段ERA5在分析数据计算RMSE以及ACC),其中,(a)是本发明与CFS以及气候值预报结果的RMSE评分,(b)是本发明与CFS以及气候值预报结果的RMSE评分;
图4是本发明与CFS以及气候值预报在2021年8月10日18时起报2021年8月24日早6时地面2米气温结果对比,其中,(a)是ERA5数据集2021年8月24日早6时地面2米气温实际值,(b)是本发明的预报结果,(c)是CFS的预报结果,(d)是气候值的预报结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一:
如图1~图4所示,一种气象要素延伸期预报方法,包括:将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
本发明利用37个层次上的5个高空变量场(位势、温度、径向风、纬向风、相对湿度)以及8个地面要素场(2m露点温度、平均海平面气压、积雪深度、地表温度、地表气压、2m温度、10m径向风、10m纬向风)训练SAND-Net模型,通过训练好的模型预报未来1-30天气象要素,配合常量场以及低频变量场使用WRF进行动力降尺度处理,得到最终的高时空分辨率的延伸期预报结果。所述方法包括以下步骤:
将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果。
步骤S1:下载2010-2022年ERA5(欧洲中期天气预报中心(ECMWF)对1950年1月至今全球气候的第五代大气再分析数据集)在分析数据集中37个层次上的5个高空变量场(位势、温度、径向风、纬向风、相对湿度)以及8个地面要素场(2m露点温度、平均海平面气压、积雪深度、地表温度、地表气压、2m温度、10m径向风、10m纬向风),下载美国国家环境预报中心(NCEP)的气候预测系统(CFS)在2021年5月21日18时、2021年5月31日18时、2021年6月10日18时、2021年6月20日18时、2021年6月30日18时、2021年7月10日18时、2021年7月20日18时、2021年7月30日18时、2021年8月10日18时起报未来1-30天逐6小时的2m气温预报数据。
步骤S2:用滤波方法提取气象资料10-30天低频分量。
步骤S201:将气象资料减去90天低通滤波分量以消除缓变的气候年循环。
步骤S202:将步骤S201所得结果减去前15天的滑动平均,去除其他低频分量。
步骤S203:将步骤S202所得结果减去前5天的滑动平均值,以去除天气尺度分量。经过上述步骤后,得到上述数据10-30天的低频分量。
步骤S3:将步骤S2中输出的低频分量数据中2010-2019年的数据作为训练集,2020年的数据作为验证集,对SAND-Net模型进行训练。共训练30个模型,分别对应提前预报时间1-30天。本发明中的SAND-Net包含自注意力机制以及非退化机制。自注意力机制由压缩和激励模块实现,可以选择每一个特征通道,即所输入的气象要素对于预测的重要性。对于大气系统而言,大气环流中部分气象要素之间的联系可能较其他气象要素之间更加紧密,因此在预测中需要增加对这些联系紧密的气象要素的注意力,压缩和激励模块则有助于对这些气象要素进行发现并选择其重要性。非退化机制由残差块实现,通过在输入和输出之间添加捷径保证前一部分的训练结果不会退化。对一个卷积神经网络而言,增加神经网络的层数是提升其性能的通用做法,但若持续对其增加神经网络的层数,训练的结果可能会出现退化,即当层数达到一定数量后,继续添加层数反而会起反作用。残差块对于这种可能出现的反作用进行了规避,当添加层数后的训练结果反而出现退化时,通过输入和输出之间添加的捷径将过往层的训练结果进行输出,从而避免了训练结果的退化。在训练SAND-Net模型的过程中,所述SAND-Net模型的参数为:初始学习率为0.5×10-4,残差块数量为21,每个残差块中包含2个卷积块,卷积核大小为3,通道数为128,权重衰减系数为0.01,激活函数为LeakyRelu,dropout设置为0.4。
步骤S4:以2021年5月21日18时、2021年5月31日18时、2021年6月10日18时、2021年6月20日18时、2021年6月30日18时、2021年7月10日18时、2021年7月20日18时、2021年7月30日18时、2021年8月10日18时作为起报时间,将起报时间前一段时间的气象资料输入训练好的SAND-Net模型进行预测,得到起报时间后1-30天的气象要素低频分量预测结果,将预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果。
将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
步骤S5:下载低频变量场(土壤湿度、土壤温度、海表温度、海冰覆盖度)在起报时间的数据,下载常量场(地形,海陆掩膜)数据。
步骤S6:将SAND-Net模型的预报结果与低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
WRF动力降尺度软件可以在Github网站获取公开资源,该软件通过逐步积分描述大气运动的一系列动量与热量方程组将动力学制约条件应用于预报结果上,并生成高时空分辨率的预报结果。
本发明中WRF运行所使用的物理参数化条件如下:微物理方案为单参数-3类水成物(WSM3)方案,长波辐射为美国国家大气研究中心(NCAR)的社区大气模型(CAM)方案,短波辐射为CAM方案,近地面层为Mellor-Yamada-Janjic方案,路面层为Noah陆面模式,行星边界层为Mellor-Yamada-Janjic方案,积云参数化为Betts-Mellor-Janjic方案。通过计算均方根误差RMSE与异常相关系数ACC两个评价指标评估本模型与CFS预报以及气候值预报的预报效果。其中,RMSE定义为:
其中,Nforecasts为预报时次数量,Nlat代表纬向格点数量,Nlon代表经向格点数量,L(j)为纬度为j时的权重因子,fi,j,k代表时间为i,纬度为j,经度为k时的预报值,ti,j,k代表纬度为j,经度为k时的ERA5在分析数据的值;ACC定义为:
其中,f′i,j,k代表中心化后时间为i,纬度为j,经度为k时的预报值,t′i,j,k代表中心化后时间为i,纬度为j,经度为k时的ERA5在分析数据的值,L(j)为纬度为j时的权重因子,L(j)被定义为:
其中,lat(j)表示取纬度。
本发明在一般的深度学习模型基础上加入了动力降尺度环节,改良了传统深度学习预报方法忽视大气动力学制约条件的缺点,提高了延伸期气象要素预报时空分辨率,改善了延伸期预报的预报效果。如图3~图4所示,将本发明提出的延伸期预报方法的预报结果与CFS以及气候值的预报结果进行比对,在一定程度上提升了准确度,取得了较好的效果。
实施例二:
基于实施例一所述的一种气象要素延伸期预报方法,本实施例提供一种气象要素延伸期预报装置,包括:
第一预报模块,用于将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;
第二预报模块,用于将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果。
实施例三:
基于实施例一所述的一种气象要素延伸期预报方法,实施例二所述的一种气象要素延伸期预报装置,本实施例提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时,实现如实施例一所述的气象要素延伸期预报方法。
实施例四:
基于实施例一所述的一种气象要素延伸期预报方法,实施例二所述的一种气象要素延伸期预报装置,本实施例提供一种计算机设备,包括:存储器,用于存储指令;处理器,用于执行所述指令,使得所述设备执行实现如实施例一所述的气象要素延伸期预报方法的操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种气象要素延伸期预报方法,其特征在于,包括:
将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;
将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果;
所述SAND-Net模型的训练方法,包括:
获取历史气象资料,所述历史气象资料中包括若干高空变量场和地面要素场;
用滤波方法提取指定时间段的气象资料中的低频分量;
以提取的指定时间段的气象资料中的低频分量作为训练集对所述SAND-Net模型进行训练;
所述SAND-Net模型包含自注意力机制以及非退化机制;自注意力机制由压缩和激励模块实现,用于发现联系紧密的气象要素并增加对联系紧密的气象要素的注意力;非退化机制由残差块实现,用于在神经网络的层数增加后训练结果反而出现退化时,通过将过往层的训练结果输出,从而防止训练结果退化。
2.根据权利要求1所述的气象要素延伸期预报方法,其特征在于,所述高空变量场包括位势、温度、径向风、纬向风和相对湿度中的至少一个;所述地面要素场包括2m露点温度、平均海平面气压、积雪深度、地表温度、地表气压、2m温度、10m径向风和10m纬向风中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的气象要素延伸期预报方法,其特征在于,所述低频变量场包括土壤湿度、土壤温度、海表温度和海冰覆盖度中的至少一个;所述常量场包括地形和海陆掩膜中的至少一个。
4.一种气象要素延伸期预报装置,其特征在于,包括:
第一预报模块,用于将设定时间段的气象资料输入训练好的SAND-Net模型,输出设定时间段后若干天的气象要素低频分量预测结果,并将气象要素低频分量预测结果与对应的气候场相加,得到预报结果;
第二预报模块,用于将预报结果与设定时间段的低频变量场、常量场输入WRF模型中进行动力降尺度,得到最终的延伸期预报结果;
其中,所述SAND-Net模型的训练方法,包括:
获取历史气象资料,所述历史气象资料中包括若干高空变量场和地面要素场;
用滤波方法提取指定时间段的气象资料中的低频分量;
以提取的指定时间段的气象资料中的低频分量作为训练集对所述SAND-Net模型进行训练;
所述SAND-Net模型包含自注意力机制以及非退化机制;自注意力机制由压缩和激励模块实现,用于发现联系紧密的气象要素并增加对联系紧密的气象要素的注意力;非退化机制由残差块实现,用于在神经网络的层数增加后训练结果反而出现退化时,通过将过往层的训练结果输出,从而防止训练结果退化。
5.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1~3中任一所述的气象要素延伸期预报方法。
6.一种计算机设备,其特征在于,包括:
存储器,用于存储指令;
处理器,用于执行所述指令,使得所述设备执行实现如权利要求1~3任一项所述的气象要素延伸期预报方法的操作。
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