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京津冀站点风温湿要素的机器学习订正方法

韩念霏 杨璐 陈明轩 宋林烨 曹伟华 韩雷

韩念霏, 杨璐, 陈明轩, 等. 京津冀站点风温湿要素的机器学习订正方法. 应用气象学报, 2022, 33(4): 489-500. DOI:  10.11898/1001-7313.20220409..
引用本文: 韩念霏, 杨璐, 陈明轩, 等. 京津冀站点风温湿要素的机器学习订正方法. 应用气象学报, 2022, 33(4): 489-500. DOI:  10.11898/1001-7313.20220409.
Han Nianfei, Yang Lu, Chen Mingxuan, et al. Machine learning correction of wind, temperature and humidity elements in Beijing-Tianjin-Hebei Region. J Appl Meteor Sci, 2022, 33(4): 489-500. DOI:  10.11898/1001-7313.20220409.
Citation: Han Nianfei, Yang Lu, Chen Mingxuan, et al. Machine learning correction of wind, temperature and humidity elements in Beijing-Tianjin-Hebei Region. J Appl Meteor Sci, 2022, 33(4): 489-500. DOI:  10.11898/1001-7313.20220409.

京津冀站点风温湿要素的机器学习订正方法

DOI: 10.11898/1001-7313.20220409
资助项目: 

国家重点研发计划课题 2018YFF0300102

北京自然科学基金项目 8222051

北京自然科学基金项目 8212025

详细信息
    通信作者:

    杨璐,邮箱: lyang@ium.cn

Machine Learning Correction of Wind, Temperature and Humidity Elements in Beijing-Tianjin-Hebei Region

  • 摘要: 基于线性回归方法、梯度提升回归方法(GBRT方法)、XGBoost方法和堆叠集成学习方法(Stacking方法)4种机器学习方法,采用误差分析建模思路,针对北京城市气象研究院研发的睿图-睿思系统对2020年12月—2021年11月所有起报时次未来3~12 h的2 m温度、2 m相对湿度、10 m风速以及10 m风向4种气象要素预报,开展京津冀复杂地形下的站点预报误差订正技术研究及试验应用。结果表明:基于预报误差分析构建的4种订正模型中,由于Stacking方法集成了前3种方法的优势,在4个季节的4种气象要素订正中均表现最佳,其他3种单一机器学习方法试验中,XGBoost方法表现最佳,其后依次为GBRT方法、线性回归方法,但均对预报准确率有明显的正向提升效果。总体上,基于机器学习方法构建的预报误差订正模型可有效降低系统原始预报误差,有助于进一步提升复杂地形下站点客观释用产品的预报准确性。
  • 图  1  不同季节各起报时次有效样本量

    Fig. 1  Number of valid samples for each initial time in different seasons

    图  2  RISE系统春季2 m温度预报订正前后均方根误差对比

    Fig. 2  Comparison of 2 m temperature root mean square error of RISE in spring before and after correction

    图  3  RISE系统4个季节2 m相对湿度预报订正前后均方根误差对比

    Fig. 3  Comparison of 2 m relative humidity root mean square error of RISE in four seasons before and after correction

    图  4  RISE系统夏季10 m风速预报订正前后均方根误差对比

    Fig. 4  Comparison of 10 m wind speed root mean square error of RISE in summer before and after correction

    图  5  2022年2月19日2 m温度(柱状) 与10 m风速(折线) 订正对比

    Fig. 5  Comparison of 2 m temperature (the bar) and 10 m wind speed (the line) on 19 Feb 2022

    图  6  图 5,但为2022年3月4日订正对比

    Fig. 6  The same as in Fig. 5, but for 4 Mar 2022

    表  1  4种方法对2 m温度预报的季节订正结果

    Table  1  Corrected results for 2 m temperature based on four methods in each season

    统计量 方法 春季 夏季 秋季 冬季
    均方根误差平均值/℃ 线性回归方法 2.16 1.93 1.93 2.40
    GBRT方法 2.08 1.82 1.83 2.28
    XGBoost方法 1.88 1.61 1.60 1.98
    Stacking方法 1.55 1.44 1.44 1.77
    均方根误差变化百分比/% 线性回归方法 -10.00 -15.72 -19.92 -19.19
    GBRT方法 -13.00 -20.52 -24.07 -23.23
    XGBoost方法 -21.67 -29.69 -33.61 -33.33
    Stacking方法 -35.40 -37.12 -40.25 -40.40
    注:RISE产品春季、夏季、秋季、冬季均方根误差平均值分别为2.40,2.29,2.41,2.97℃。
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    表  2  4种方法对2 m相对湿度的季节订正结果

    Table  2  Corrected results for 2 m relative humidity based on four methods in each season

    统计量 方法 春季 夏季 秋季 冬季
    均方根误差平均值/% 线性回归方法 12.34 10.64 12.00 12.57
    GBRT方法 11.72 9.85 11.12 11.61
    XGBoost方法 10.24 8.66 9.69 10.18
    Stacking方法 8.89 7.61 8.50 9.04
    均方根误差变化百分比/% 线性回归方法 -11.35 -19.45 -21.41 -17.30
    GBRT方法 -15.80 -25.44 -27.18 -23.62
    XGBoost方法 -26.44 -34.44 -36.44 -33.03
    Stacking方法 -36.14 -42.39 -44.34 -40.53
    注:RISE产品春季、夏季、秋季、冬季均方根误差平均值分别为13.92%, 13.21%, 15.27%, 15.20%。
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    表  3  4种方法对10 m风速的季节订正结果

    Table  3  Corrected results for 10 m wind speed based on four methods in each season

    统计量 方法 春季 夏季 秋季 冬季
    均方根误差平均值/(m·s-1) 线性回归方法 1.31 1.07 1.25 1.43
    GBRT方法 1.26 1.01 1.08 1.31
    XGBoost方法 1.12 0.89 0.94 1.13
    Stacking方法 0.97 0.79 0.82 1.00
    均方根误差变化百分比/% 线性回归方法 -8.39 -14.40 -19.87 -23.94
    GBRT方法 -11.89 -19.20 -30.77 -30.32
    XGBoost方法 -21.68 -28.80 -39.74 -39.89
    Stacking方法 -32.17 -36.80 -47.44 -46.81
    注:RISE产品春季、夏季、秋季、冬季均方根误差平均值分别为1.43,1.25,1.56,1.88 m·s-1
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    表  4  4种方法对10 m风向的季节订正结果

    Table  4  Corrected results for 10 m wind direction based on four methods in each season

    统计量 方法 春季 夏季 秋季 冬季
    平均绝对偏差平均值/(°) 线性回归方法 69.93 77.20 74.15 72.13
    GBRT方法 68.47 75.16 72.90 69.60
    XGBoost方法 63.10 69.70 68.20 63.96
    Stacking方法 58.80 65.63 64.88 60.32
    平均绝对偏差变化百分比/% 线性回归方法 -1.23 -4.43 -16.27 -8.98
    GBRT方法 -3.29 -6.96 -17.68 -12.18
    XGBoost方法 -10.88 -13.72 -22.99 -19.29
    Stacking方法 -16.95 -18.75 -26.74 -23.89
    注:RISE产品春季、夏季、秋季、冬季平均绝对偏差平均值分别为70.80°, 80.79°, 88.56°, 79.25°。
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-15
  • 修回日期:  2022-04-25
  • 刊出日期:  2022-07-13

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