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低温雨雪过程的粒子群-神经网络预报模型

陆虹 翟盘茂 覃卫坚 金龙 谢敏 钱晰 赵华生

陆虹, 翟盘茂, 覃卫坚, 等. 低温雨雪过程的粒子群-神经网络预报模型. 应用气象学报, 2015, 26(5): 513-524. DOI: 10.11898/1001-7313.20150501..
引用本文: 陆虹, 翟盘茂, 覃卫坚, 等. 低温雨雪过程的粒子群-神经网络预报模型. 应用气象学报, 2015, 26(5): 513-524. DOI: 10.11898/1001-7313.20150501.
Lu Hong, Zhai Panmao, Qin Weijian, et al. A particle swarm optimization-neural network ensemble prediction model for persistent freezing rain and snow storm in Southern China. J Appl Meteor Sci, 2015, 26(5): 513-524. DOI:  10.11898/1001-7313.20150501.
Citation: Lu Hong, Zhai Panmao, Qin Weijian, et al. A particle swarm optimization-neural network ensemble prediction model for persistent freezing rain and snow storm in Southern China. J Appl Meteor Sci, 2015, 26(5): 513-524. DOI:  10.11898/1001-7313.20150501.

低温雨雪过程的粒子群-神经网络预报模型

DOI: 10.11898/1001-7313.20150501
资助项目: 

国家重点基础研究发展计划 2012CB417205

广西自然科学基金北部湾重大专项项目 2011GXNSFE018006

详细信息
    通信作者:

    翟盘茂, email: pmzhai@cma.gov.cn

A Particle Swarm Optimization-neural Network Ensemble Prediction Model for Persistent Freezing Rain and Snow Storm in Southern China

  • 摘要: 利用逐日气温和降水量数据、NCEP/NCAR再分析资料以及预报场资料,通过分析提取我国南方区域持续性低温雨雪过程及其预报因子,使用粒子群-神经网络方法建立非线性的统计集合预报模型 (PSONN-EPM),对我国南方区域持续性低温雨雪过程进行预报试验。结果表明:以过程的冷湿程度及影响范围为标准,将低温雨雪过程分为一般过程和严重过程,并建立不同的预报模型效果较好。通过10 d独立样本预报试验看,基于粒子群-神经网络方法建立的集合预报模型比基于逐步回归方法建立的预报模型的预报平均相对误差小,对严重过程预报能力高于对一般过程预报,且这种非线性统计集合建模方法在建模过程中不需要调整神经网络参数,在实际预报业务中值得尝试。
  • 图  1  冷湿指数与850 hPa温度相关分布

    (阴影表示达到0.001显著性水平)

    Fig. 1  Correlation of PT value to 850 hPa temperature

    (the shaded denotes passing the test of 0.001 level)

    图  2  一般过程 (a) 和严重过程 (b) 粒子群-神经网络集合预报模型拟合预报

    Fig. 2  Fitting values of general (a) and severe (b) processes by the particle swarm optimization-neural network ensemble prediction model

    表  1  1951—2013研究区域内年持续性极端低温雨雪事件

    Table  1  Cold rain and snow events in the study area during 1951-2013

    开始日期结束日期持续日数/d影响站数过程日最大
    冷湿指数
    1954-12-071954-12-159313.05
    1954-12-261955-01-10163070.42
    1956-01-061956-01-127620.18
    1956-01-201956-01-26749.08
    1957-01-121957-01-165420.86
    1957-02-041957-02-16131018.77
    1958-01-151958-01-19548.83
    1958-01-291958-02-047512.91
    1960-01-231960-01-28635.68
    1961-01-111961-01-16637.43
    1962-01-151962-01-291538.34
    1964-01-231964-02-0413822.9
    1964-02-151964-02-281446112.27
    1966-12-251967-01-12191117.74
    1967-02-101967-02-15646.56
    1968-02-011968-02-10101121.06
    1969-01-111969-01-1771726.24
    1969-01-281969-02-09132380.65
    1969-02-141969-02-281546.19
    1971-01-151971-02-05121663.73
    1972-12-291973-01-069613.25
    1972-02-031972-02-11951138.71
    1974-01-231974-02-12212965.51
    1975-12-081975-12-1582273.48
    1976-12-261977-01-17231836.67
    1977-01-261977-02-04102164.39
    1980-01-291980-02-13163879.62
    1981-01-251981-01-317917.59
    1982-02-061982-02-1510737.71
    1983-12-221984-01-0212751.72
    1983-01-081983-01-23161231.13
    1984-12-181984-12-31141331.27
    1984-01-161984-02-11272850.74
    1989-01-111989-01-166935.09
    1989-01-291989-02-091236.87
    1990-01-301990-02-046711.65
    1991-12-251991-12-317424.31
    1993-01-131993-01-24121423.36
    1996-02-171996-02-26103281.31
    1998-01-181998-01-258313.11
    2000-01-272000-02-0510625.30
    2004-02-032004-02-08637.63
    2008-01-132008-02-153471264.24
    2010-02-162010-02-205310.47
    2011-01-022011-02-013124118.86
    2012-01-212012-01-277614.64
    2013-01-022013-01-131257.28
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    表  2  一般过程建模所选预报因子 (F=3)

    Table  2  Predictors used in general process forecasting models (F=3)

    因子序号因子名称相关系数
    X3850 hPa江南区域气温-0.37
    X5非洲北部上空850 hPa与700 hPa温度差-0.37
    X8200 hPa印度半岛西北部与青藏高原区域高度差0.30
    X9500 hPa北太平洋北部与南部的高度差0.25
    X12700 hPa菲律宾北部区域的湿度-0.26
    X16500 hPa印度半岛与内蒙古区域的水平风速差0.34
    X17700 hPa印度半岛西北部区域水平风速0.27
    X18850 hPa太平洋夏威夷和库克群岛区域水平风速差0.34
    X21850 hPa长江中上游与越南北部区域垂直风速差0.34
    X22500 hPa孟加拉湾北部与蒙古区域的风速差0.40
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    表  3  严重过程建模所选预报因子 (F=3)

    Table  3  Predictors used in severe process forecasting models (F=3)

    因子序号因子名称相关系数
    X1850 hPa与700 hPa江南区域温度差-0.49
    X6850 hPa贝加尔湖区域温度0.35
    X9500 hPa贝加尔湖到我国东北区域高度0.42
    X12700 hPa长江中下游区域湿度0.43
    X13700 hPa孟加拉湾区域上空湿度0.43
    X14850 hPa孟加拉湾到越南北部上空湿度0.58
    X15850 hPa赤道索马里上空湿度-0.62
    X19850 hPa半太平洋北部区域与南部区域水平风速差0.36
    X23700 hPa鄂霍次克海与蒙古高原区域垂直风速差0.41
    X25850 hPa江南与东海区域垂直风速差0.58
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    表  4  两种过程的粒子群-神经网络预报模型独立样本预报效果

    Table  4  Statistics of predicted values of independent samples from two different processes using the particle swarm optimization-neural network ensemble prediction model

    一般过程 (F=3)严重过程 (F=3)
    实况值预报值误差相对误差/%实况值预报值误差相对误差/%
    6.395.44-0.951524.0632.708.6436
    5.004.82-0.18420.4129.469.0544
    7.288.521.241726.0936.1910.1039
    5.2511.396.1411721.2822.941.668
    4.8228.4523.6349065.6941.38-24.3137
    5.808.502.704747.3761.4214.0530
    3.816.392.5868118.8649.22-69.6459
    2.496.684.1916862.9560.33-2.624
    1.084.293.2129727.8227.830.011
    1.352.841.4911115.8622.146.2840
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    表  5  两种过程逐步回归方程独立样本预报结果

    Table  5  Statistics of predicted values of independent samples from two different processes using stepwise regression equation

    一般过程 (F=3)严重过程 (F=3)
    实况值预报值误差相对误差/%实况值预报值误差相对误差/%
    6.396.840.45724.0645.0921.0387
    5.005.980.982020.4131.5511.1455
    7.288.491.211726.0938.4712.3847
    5.2511.436.1811821.289.50-11.7855
    4.8216.4911.6724265.6957.08-8.6113
    5.8011.355.559647.3763.7716.4035
    3.8110.196.38167118.8652.22-66.6456
    2.4910.808.3133462.9556.09-6.8611
    1.088.107.0265027.82-0.32-28.14101
    1.356.555.2038515.86-6.04-21.90138
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    表  6  一般过程不同F值逐步回归方法和神经网络方法独立样本预报误差 (单位:%)

    Table  6  Statistics of predicted errors of independent samples from general processes using stepwise regression method and neural network method with different F values (unit:%)

    F=2F=3F=4
    逐步回归神经网络逐步回归神经网络逐步回归神经网络
    3720715018
    48252042118
    24917172614
    1279111811712598
    250323242490246723
    1165196478929
    184761676814841
    390285334168291132
    678386650297573241
    532279385111328151
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    表  7  严重过程不同F值逐步回归方法和神经网络方法独立样本预报误差 (单位:%)

    Table  7  Statistics of predicted errors of independent samples from severe processes using stepwise regression method and neural network method with different F values (unit:%)

    F=2F=3F=4
    逐步回归神经网络逐步回归神经网络逐步回归神经网络
    5320873610763
    692554411446
    562547398944
    86265582030
    2311337333
    403035302928
    475456595161
    0291141014
    109151011577
    18859138405067
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    表  8  全样本不同F值粒子群-神经网络集合预报方法独立样本预报结果

    Table  8  Statistics of predicted values of independent samples from all the samples using the particle swarm optimization-neural network ensemble prediction model

    实况值F=2F=3F=4
    预报值误差相对误差/%预报值误差相对误差/%预报值误差相对误差/%
    6.3921.3514.9623419.4513.0620426.0419.65308
    5.0010.755.7511510.875.8711717.8612.86257
    7.2814.997.7110614.216.939519.0611.78162
    5.2515.2810.0319117.5912.3423520.7215.47295
    4.8216.4411.6224114.729.9020521.0816.26337
    5.8013.247.4412811.395.599622.2816.48284
    3.813.890.0826.833.02797.803.99105
    2.492.880.39163.921.43570.84-1.6566
    1.081.110.0331.800.72677.296.21575
    1.350.74-0.61451.680.33253.091.74129
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-12-04
  • 修回日期:  2015-06-09
  • 刊出日期:  2015-09-30

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