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机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用

李丹 林文 刘群 冯宏芳 胡淑萍 汪智海

李丹, 林文, 刘群, 等. 机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用. 应用气象学报, 2024, 35(1): 118-128. DOI:  10.11898/1001-7313.20240110..
引用本文: 李丹, 林文, 刘群, 等. 机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用. 应用气象学报, 2024, 35(1): 118-128. DOI:  10.11898/1001-7313.20240110.
Li Dan, Lin Wen, Liu Qun, et al. Application of machine learning to statistical evaluation of artificial rainfall enhancement. J Appl Meteor Sci, 2024, 35(1): 118-128. DOI:  10.11898/1001-7313.20240110.
Citation: Li Dan, Lin Wen, Liu Qun, et al. Application of machine learning to statistical evaluation of artificial rainfall enhancement. J Appl Meteor Sci, 2024, 35(1): 118-128. DOI:  10.11898/1001-7313.20240110.

机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用

DOI: 10.11898/1001-7313.20240110
资助项目: 

国家重点研发计划 2019YFC1510303

中国气象局人工影响天气中心效果评估方法研发与应用创新团队 WMC2023IT03

国家自然科学基金面上项目 42075088

中央引导性地方科技发展专项 2021L3019

详细信息
    通信作者:

    林文, 邮箱:donnakoon@foxmail.com

Application of Machine Learning to Statistical Evaluation of Artificial Rainfall Enhancement

  • 摘要: 利用福建省古田人工增雨试验基地2014年1月—2023年1月小时自然降水数据, 结合线性拟合、多项式回归和样条回归等多种数学统计方法, 开展决策树、支持向量机(SVM)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法在估测目标区自然降水中的应用研究。目标区和对比区自然雨量关系模型对比结果表明:以区域平均面雨量为统计变量时, CNN和四项式回归效果相对较好, 其中CNN的确定系数为0.516, 均方根误差为1.097 mm;对平均面雨量进行六次方根变换后, 各模型的精准度大幅提升, CNN表现最优, 确定系数为0.658, 其次为SVM;为克服目标区和对比区雨量时间序列效应及空间分布不均等问题, 以面雨量空间格点数据作为研究对象, 采用CNN 3种优化器(自适应矩估计、均方根传递和梯度随机下降)算法进行对比, 发现基于自适应矩估计优化器建立目标区和对比区雨量关系模型最优, 其降水估测值与实测值更接近, 均方根误差最小, 为0.61 mm。因此, 利用CNN方法能够进一步优化目标区和对比区雨量关系模型, 可为定量评估人工增雨效果提供参考。
  • 图  1  福建省古田人工增雨效果检验基地

    Fig. 1  Gutian artificial rainfall effect evaluation base in Fujian

    图  2  目标区与对比区地形相似度与降水相似度拟合关系

    Fig. 2  Fitting relationship between topography similarity and rainfall correlation coefficient in target area and contrast area

    图  3  古田随机试验目标区、浮动对比区与最佳对比区设置

    Fig. 3  Artificial rainfall target area, floating contrast area and the best-contrast area of Gutian

    图  4  不同雨强样本量统计

    Fig. 4  Sample size of different rainfall intensity

    图  5  不同雨强下各模型的降水估测均方根误差对比

    Fig. 5  Root mean square error of rainfall estimation for different rainfall intensity by different models

    图  6  基于总样本的不同模型降水估测的均方根误差和确定系数

    Fig. 6  Root mean square error and determination coefficient of rainfall estimation based on total samples by different models

    图  7  目标区和对比区格点化及区域自动气象站分布

    Fig. 7  Regional grid and automatic weather station in target area and contrast area

    图  8  2016年4月9日19:00不同插值方法得到的面雨量分布

    Fig. 8  Area rainfall distribution with different methods at 1900 BT 9 Apr 2016

    图  9  3种优化器降水估测对比

    Fig. 9  Comparison of rainfall estimation among 3 machine learning optimizers

    表  1  2014—2023年不同等级降水样本量

    Table  1  Sample size of different rainfall categories in 2014-2023

    降水等级 雨强/(mm·h-1) 样本量 样本比例/%
    弱降水 [0.1, 5) 25207 95.98
    一般降水 [5, 10) 780 2.97
    中等降水 [10, 25) 269 1.02
    强降水 [25, +∞) 7 0.03
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-10
  • 修回日期:  2023-12-01
  • 刊出日期:  2024-01-31

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