留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 陶诗言, 卫捷.2008年1月中国南方严重冰雪灾害过程分析.气候与环境研究, 2008, 13(4):337-351. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHYH200804001.htm
    [2] 丁一汇, 王遵娅, 宋亚芳, 等.中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系.气象学报, 2008, 66(5):808-825. doi:  10.11676/qxxb2008.074
    [3] 李崇银, 杨辉, 顾薇.中国南方雨雪冰冻异常天气原因的分析.气候与环境研究, 2008, 13(2):113-122. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHYH200802000.htm
    [4] 赵思雄, 孙建华.2008年初南方雨雪冰冻天气的环流场与多尺度特征.气候与环境研究, 2008, 13(4):351-367. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHYH200804002.htm
    [5] 彭艳, 王钊, 刘安麟, 等.2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨.大气科学学报, 2010, 33(5):634-640. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJQX201005016.htm
    [6] 钱维宏, 张宗婕.南方持续低温冻雨事件预测的前期信号.地球物理学报, 2012, 55(5):1501-1512. doi:  10.6038/j.issn.0001-5733.2012.05.007
    [7] 张宗婕, 钱维宏.中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号.大气科学, 2012, 36(6):1269-1279. doi:  10.3878/j.issn.1006-9895.2012.11227
    [8] 金龙, 吴建生, 林开平, 等.基于遗传算法的神经网络短期气候预测模型.高原气象, 2000, 24(6):981-987. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGQX200312005034.htm
    [9] Jin L, Yao C, Huang X Y.A nonlinear artificial intelligence ensemble prediction model for typhoon intensity.Mon Wea Rev, 2008, 136:4541-4554. doi:  10.1175/2008MWR2269.1
    [10] Yao C, Jin L, Zhao H S.Ensemble prediction olmon-soon index with a genetic neural network model.Acta Meteor Sinica, 2009, 23(6):701-712. https://www.researchgate.net/profile/Yuehui_Chen/publication/222432560_Flexible_neural_trees_ensemble_for_stock_index_modeling/links/0fcfd50a70809e1d25000000.pdf?inViewer=true&disableCoverPage=true&origin=publication_detail
    [11] 陆虹, 金龙, 缪启龙, 等.影响广西热带气旋年频数的神经网络预测模型.南京气象学院学报, 2003, 26(1):56-62. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJQX200301007.htm
    [12] 吴振玲, 潘璇, 董昊, 等.天津市多模式气温集成预报方法.应用气象学报, 2014, 25(3):293-301. doi:  10.11898/1001-7313.20140305
    [13] 张振华, 苗春生, 曾智华, 等.一种人工神经网络云分类方法的改进与应用.应用气象学报, 2012, 23(3):355-363. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120312&flag=1
    [14] 闵晶晶, 孙景荣, 刘还珠, 等.一种改进的BP算法及在降水预报中的应用.应用气象学报, 2010, 21(1):55-62. doi:  10.11898/1001-7313.20100107
    [15] 黄小刚, 费建芳, 陈佩燕.利用神经网络方法建立热带气旋强度预报模型.应用气象学报, 2009, 20(6):699-705. doi:  10.11898/1001-7313.20090607
    [16] Kennedy J, Eberhart R C.Particle Swarm Optimization//Pro IEEE International Conference on Neural Networks.1995.
    [17] Wu J S, Jin L.Study on the meteorological prediction model using the learning algorithm of neural ensemble based on PSO algorithms.Journal of Tropical Meteorology, 2009, 15(1):83-88. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-RDQX200806013.htm
    [18] Machado T R, Lopes H S.A Hybrid Particle Swarm Optimization Model for the Traveling Salesman Problem//Adaptive and Natural Computing Algorithms.New York:Springer, 2005:255-258.
    [19] Jin L, Zhu J S, Huang Y, et al.A nonlinear statistical ensemble model for short-range rainfall prediction.Theoretical and Applied Climatology, 2015, 119(3-4):791-807. doi:  10.1007/s00704-014-1161-8
    [20] Jin L, Huang Y, Zhao H S.Ensemble Prediction of Monthly Mean Rainfall with a Particle Swarm Optimization-Neural Network Model.13th IEEE International Conference on Information Reuse and Integration, 2012:287-294.
    [21] 龚志强, 王晓娟, 崔冬林, 等.区域性极端低温事件的识别及其变化特征.应用气象学报, 2012, 23(2):195-204. doi:  10.11898/1001-7313.20120208
    [22] 韩荣青, 陈丽娟, 李维京, 等.2-5月我国低温连阴雨和南方冷害时空特征.应用气象学报, 2009, 20(3):312-320. doi:  10.11898/1001-7313.20090307
    [23] 郑维忠, 倪允琪.热带和中纬太平洋海温异常对东北夏季低温冷害影响的诊断分析研究.应用气象学报, 1999, 10(4):394-401. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=199904105&flag=1
    [24] Zhang H, Qin J, Li Y.Climatic background of cold and wet winter in southern China: Part Ⅰ observational analysis.Climate Dynamics, 2011, 37(11-12):2335-2354. doi:  10.1007/s00382-011-1022-4
    [25] Qian X, Miao Q L, Zhai P M, et al.Cold-wet spells in mainland China during 1951-2011.Nat Hazards, 2014, 70:975-994. doi:  10.1007/s11069-013-0856-y
    [26] 王绍武.中国冷冬的气候特征.气候变化研究进展, 2008, 4(2):68-72. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHBH200802005.htm
    [27] 王东海, 柳崇健, 刘英, 等.2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气特征及其天气动力学成因的初步分析.气象学报, 2008, 66(3):405-422. doi:  10.11676/qxxb2008.038
    [28] 杨贵名, 孔期, 毛冬艳, 等.2008年初"低温雨雪冰冻"灾害天气的持续性原因分析.气象学报, 2008, 66(5):638-648. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QXXB200805016.htm
    [29] 纪忠萍, 高晓容, 谷德军, 等.广东低温阴雨的低频振荡及环流特征.应用气象学报, 2013, 24(1):32-42. doi:  10.11898/1001-7313.20130104
  • 加载中
图(2) / 表(8)
计量
  • 摘要浏览量:  3324
  • HTML全文浏览量:  1198
  • PDF下载量:  623
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回