基于机器学习的气象智能算法研究
发布时间：2022-02-09 22:12
气象领域对当前天气实况更精准的观测和预报,一直是倍受关注的重点问题。随着海量历史基础数据的积累与超级计算机算力的进步,目前天气预报越来越准确。但随着对精细化格点预报的要求逐步提高,预报区域不断精细化,从原来的市级预报逐步过渡到县级预报、街区预报。数值模式的精细化建模与求解的压力也愈渐增加,逐步遇到了瓶颈。近年来,大数据技术与人工智能技术的飞速发展为气象领域充分挖掘海量历史数据价值提供了生机,逐步实现以数据驱动的思路来解决气象领域的问题。目前人工智能在气象领域的应用课题已成为研究热点,在气候研究、海洋台风预报预警、海雾预报、短时临近天气预报等业务中都结合了最新的机器学习相关算法。具体研究的课题有天气雷达的质量控制、信号外推、定量降水估测、强对流天气识别、预警,环境预报,风暴环境识别,天气系统识别等。本文针对三个重要且具有挑战性的问题展开研究,主要研究内容如下:（1）精细化格点预报订正问题研究。首先与湖南省气象业务部门合作,共同制定了气象领域中针对天气预报格点数据标准数据集格式,为以后类似研究提供了一种标准处理方式。提出了基于混合注意力机制的时空格点预报订正算法。对欧洲中期天气预报中心的逐...
【文章来源】：湖南师范大学湖南省211工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文研究内容1.提出基于多要素融合的格点预报订正方案
博士学位论文20云状分类的，不同云层对紫外辐射的吸收影响很大。地基光学相机可以在连续的或指定间隔内捕获全天空的图像或是局部天空的图像。全天空成像的观测技术有近百年的研究历史，目前比较典型的是美国的全天空成像相机WSI（WholeSkyImager，WSI）和总天空成像仪器（TotalSkyImager，TSI）如图1-1所示。日本、新西兰的研究人员也研发了相关的全天空成像仪器设备用于云的气象观测和研究。中国科学院大气所从2000年左右开始也自主研发了地基全天空可见光成像仪器及相关系统。图2-1：TSI,TotalSkyImager示意图全天空数字照相机ASC（ASC，All-ShyCamera）采用广角镜头的数码相机作为主观测成像部件，目前有两种方式，一种为将相机安装在可旋转的云台上，绕观测点旋转拍摄局部天空图像，然后通过图像拼接算法得到全天空的图像，此方法优势在于获取的全天空图像畸变较小，缺点是局部图像获取有时间差，有时有图像拼接问题。第二种方法采用为数码相机设计特殊的鱼眼镜头直接对天空拍摄，或是在数码相机下面放置一面曲面镜，拍摄曲面镜反射的天空图像。这类设备可以一次获得全天空的图像，没有时间差。缺点是图像存在畸变效应。需要针对性处理。
博士学位论文32图3-1数据集标准输入样本3.3格点预报订正算法3.3.1订正算法整体架构本文设计根据气象格点要素数据的特点，提出了基于混合注意力机制的时空订正模型（HybirdAttentionModuleSpatialTemporalCorrectNetwork，HA-STNet）。HA-STNet引入通道注意力机制，获取通道权重，并按照通道权重的距离划分成若干簇。通过混合注意力机制的特征融合模块，充分提取格点数据的表征特征。然后构建一种编码-订正的堆叠时空单元结构进行时空特征提取与订正。网络模型包含两大模块：混合注意力机制的特征融合模块（HybirdAttentionIntegrationModule，HAIM）和时空订正模块（Spatial-TemporalCorrectionModule，STCM）。网络整体结构如图3-2所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]梯度提升决策树在雷达定量降水估测中的应用研究[J]. 陈训来,陈元昭,赵春阳,张珂. 气象科技进展. 2019(03)
[2]气象大数据超短临精准降水机器学习与典型应用[J]. 张晨阳,杨雪冰,张文生. 农业大数据学报. 2019(01)
[3]天气雷达定量估测降水研究进展[J]. 谷军霞,师春香,潘旸. 气象科技进展. 2018(01)
[4]基于极限学习机的地基可见光云图的云分类[J]. 李林,刘青山,夏旻. 大气科学学报. 2015(05)
[5]RBF神经网络在雷达定量估测降水中的应用研究[J]. 傅德胜,肖晨,谭畅,喻宝龙,许波. 气象科学. 2015(02)
[6]卫星-地基-模式统一的自动观测云分类原则和标准的研究[J]. 李昀英,方乐锌,寇雄伟. 地球物理学报. 2014(08)
[7]An approach to estimating and extrapolating model error based on inverse problem methods:towards accurate numerical weather prediction[J]. 胡淑娟,邱春雨,张利云,黄启灿,于海鹏,丑纪范. Chinese Physics B. 2014(08)
[8]基于无导数优化方法的数值模式误差估计[J]. 黄启灿,胡淑娟,邱春雨,李宽,于海鹏,丑纪范. 物理学报. 2014(14)
[9]月动力延伸预报研究进展回顾[J]. 郑志海. 气象科技进展. 2013(01)
[10]模式误差动力特征:模式参数误差和物理过程描绘缺失误差[J]. 钟剑,黄思训,费建芳,杜华栋. 大气科学. 2011(06)
博士论文
[1]一个可能提高GRAPES模式业务预报能力的方案[D]. 达朝究.兰州大学 2011
硕士论文
[1]基于KNN的地基可见光云图分类方法研究[D]. 朱彪.成都信息工程学院 2012
本文编号：3617728
【文章来源】：湖南师范大学湖南省211工程院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
论文研究内容1.提出基于多要素融合的格点预报订正方案
博士学位论文20云状分类的，不同云层对紫外辐射的吸收影响很大。地基光学相机可以在连续的或指定间隔内捕获全天空的图像或是局部天空的图像。全天空成像的观测技术有近百年的研究历史，目前比较典型的是美国的全天空成像相机WSI（WholeSkyImager，WSI）和总天空成像仪器（TotalSkyImager，TSI）如图1-1所示。日本、新西兰的研究人员也研发了相关的全天空成像仪器设备用于云的气象观测和研究。中国科学院大气所从2000年左右开始也自主研发了地基全天空可见光成像仪器及相关系统。图2-1：TSI,TotalSkyImager示意图全天空数字照相机ASC（ASC，All-ShyCamera）采用广角镜头的数码相机作为主观测成像部件，目前有两种方式，一种为将相机安装在可旋转的云台上，绕观测点旋转拍摄局部天空图像，然后通过图像拼接算法得到全天空的图像，此方法优势在于获取的全天空图像畸变较小，缺点是局部图像获取有时间差，有时有图像拼接问题。第二种方法采用为数码相机设计特殊的鱼眼镜头直接对天空拍摄，或是在数码相机下面放置一面曲面镜，拍摄曲面镜反射的天空图像。这类设备可以一次获得全天空的图像，没有时间差。缺点是图像存在畸变效应。需要针对性处理。
博士学位论文32图3-1数据集标准输入样本3.3格点预报订正算法3.3.1订正算法整体架构本文设计根据气象格点要素数据的特点，提出了基于混合注意力机制的时空订正模型（HybirdAttentionModuleSpatialTemporalCorrectNetwork，HA-STNet）。HA-STNet引入通道注意力机制，获取通道权重，并按照通道权重的距离划分成若干簇。通过混合注意力机制的特征融合模块，充分提取格点数据的表征特征。然后构建一种编码-订正的堆叠时空单元结构进行时空特征提取与订正。网络模型包含两大模块：混合注意力机制的特征融合模块（HybirdAttentionIntegrationModule，HAIM）和时空订正模块（Spatial-TemporalCorrectionModule，STCM）。网络整体结构如图3-2所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]梯度提升决策树在雷达定量降水估测中的应用研究[J]. 陈训来,陈元昭,赵春阳,张珂. 气象科技进展. 2019(03)
[2]气象大数据超短临精准降水机器学习与典型应用[J]. 张晨阳,杨雪冰,张文生. 农业大数据学报. 2019(01)
[3]天气雷达定量估测降水研究进展[J]. 谷军霞,师春香,潘旸. 气象科技进展. 2018(01)
[4]基于极限学习机的地基可见光云图的云分类[J]. 李林,刘青山,夏旻. 大气科学学报. 2015(05)
[5]RBF神经网络在雷达定量估测降水中的应用研究[J]. 傅德胜,肖晨,谭畅,喻宝龙,许波. 气象科学. 2015(02)
[6]卫星-地基-模式统一的自动观测云分类原则和标准的研究[J]. 李昀英,方乐锌,寇雄伟. 地球物理学报. 2014(08)
[7]An approach to estimating and extrapolating model error based on inverse problem methods:towards accurate numerical weather prediction[J]. 胡淑娟,邱春雨,张利云,黄启灿,于海鹏,丑纪范. Chinese Physics B. 2014(08)
[8]基于无导数优化方法的数值模式误差估计[J]. 黄启灿,胡淑娟,邱春雨,李宽,于海鹏,丑纪范. 物理学报. 2014(14)
[9]月动力延伸预报研究进展回顾[J]. 郑志海. 气象科技进展. 2013(01)
[10]模式误差动力特征:模式参数误差和物理过程描绘缺失误差[J]. 钟剑,黄思训,费建芳,杜华栋. 大气科学. 2011(06)
博士论文
[1]一个可能提高GRAPES模式业务预报能力的方案[D]. 达朝究.兰州大学 2011
硕士论文
[1]基于KNN的地基可见光云图分类方法研究[D]. 朱彪.成都信息工程学院 2012
本文编号：3617728
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