基于機(jī)器學(xué)習(xí)的寧海縣氣溫降尺度推算研究

申子彬　郁懋楠　吳澤亮　岳夢(mèng)琦

摘? 要：針對(duì)當(dāng)前氣溫預(yù)報(bào)精細(xì)化程度無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民群眾的需求，利用寧海縣22個(gè)氣象站2013—2016年的逐日氣溫資料、EC數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)資料以及各站點(diǎn)的地理信息資料，實(shí)況資料作為輸出，數(shù)值預(yù)報(bào)、地理信息資料作為輸入，構(gòu)建DBN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氣溫預(yù)報(bào)模型。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)氣溫資料有正的訂正作用，對(duì)站點(diǎn)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度縮小1.18 ℃，該模型可以用于氣溫降尺度業(yè)務(wù)實(shí)際。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí);EC數(shù)值預(yù)報(bào)模式;地理信息資料;氣溫降尺度

中圖分類號(hào)：TP181? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0022-04

Abstract： In view of the fact that the current refinement of temperature forecast can not meet the needs of economic development and the people， the daily temperature data of 22 meteorological stations in Ninghai County from 2013 to 2016， the EC numerical mode temperature forecast data， the geographic information materials of each station and factual information are used as the output， and the numerical forecast and geographic information materials are used as the input， the temperature prediction model based on DBN neural network is constructed. The trained neural network model has a positive correction effect on the numerical temperature prediction data， and the average prediction accuracy of the station is reduced by 1.18 ℃. This model can be used in the practice of temperature downscaling.

Keywords： machine learning; EC numerical prediction model; geographic information materials; temperature downscaling

0? 引? 言

天氣與人類社會(huì)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、軍事行動(dòng)等各方面聯(lián)系密切，而氣溫則是天氣的重要因素，是表征大氣冷熱程度的物理量，其變化不僅僅能直接影響到公眾的日常生活，同時(shí)也對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有著顯著影響。2016年1月20—25日，受幾十年一遇的寒潮天氣影響，寧海出現(xiàn)罕見的低溫雨雪冰凍天氣，全縣農(nóng)、林、漁、交通、城市設(shè)施、人民生活等均受到不同程度的影響，其中寧海農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)白枇杷幾乎全軍覆滅，橘樹也有不同程度的凍害，大面積的水管、水表凍裂也對(duì)人民生活造成了很大影響。目前氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)密度有限，從空間分辨率上、精準(zhǔn)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民群眾對(duì)氣溫精細(xì)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的需求。所以對(duì)氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的降尺度越來(lái)越迫切。

目前國(guó)內(nèi)外已有較多的氣溫降尺度研究，如Hofer等[1]利用EOF和多元回歸法將NCEP/NCAR氣溫?cái)?shù)據(jù)降尺度到冰川站點(diǎn)上;Huth[2]利用典型自相關(guān)、多元回歸等方法降尺度NCEP/NCAR冬季日均溫到中西歐的氣象站點(diǎn)上;鈔振華[3]利用基于背景長(zhǎng)協(xié)方差的最優(yōu)插值法將ERA-40氣溫?cái)?shù)據(jù)降尺度到中國(guó)西部0.125°網(wǎng)格上。這些方法主要利用了再分析資料與觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，未考慮地表特征的差異，具有一定的不確定性。眾所周知，影響山區(qū)氣溫空間變化的因素很多，從氣候上說(shuō)，主要包括宏觀地理?xiàng)l件、海拔、地形和下墊面條件等。宏觀地理?xiàng)l件主要指氣象站點(diǎn)所在的經(jīng)緯度、距離大水體遠(yuǎn)近、所在山系走向及宏觀氣候背景等;地形主要涉及地形類別、坡度、坡向以及地形遮蔽;下墊面條件包括土壤、植被狀況等[4]。也有不少研究在氣溫降尺度中考慮了地形對(duì)氣溫的影響，如楊青等[5]基于EOF特征向量和DEM建立的推算模型、蔡迪花等[6]建立的基于DEM多元線性回歸插值法、楊昕等[7]建立的基于DEM 地形修正模型和張洪亮等[8]建立的地形調(diào)節(jié)統(tǒng)計(jì)模型（TASM）等，這些氣溫校正的基礎(chǔ)仍然是空間內(nèi)插（如多元回歸法、樣條插值法、氣溫垂直訂正法）后的結(jié)果。忽略了海陸差異、地形變化對(duì)氣溫的影響。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的出現(xiàn)，從技術(shù)理論上使得氣象科研工作者可以從大量氣象數(shù)據(jù)中尋找理想的氣溫降尺度方法。本文將充分利用寧海縣域內(nèi)22個(gè)氣象觀測(cè)站近4年的日氣溫觀測(cè)資料、近4年的EC數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)資料，縣域地理信息系統(tǒng)DEM高程資料，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建包含局地氣象特征的氣溫降尺度模型，最終實(shí)現(xiàn)寧海縣域內(nèi)氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的降尺度，形成氣溫精細(xì)化預(yù)報(bào)模型。

1? 資料

1.1? 氣象資料

本文采用了寧海縣國(guó)家氣象站以及寧海縣域內(nèi)21個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站共計(jì)22個(gè)站的2013至2016年4年逐日08時(shí)、20時(shí)氣溫資料;EC數(shù)值模式2013至2016年4年逐日未來(lái)12小時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)08時(shí)、20時(shí)氣溫預(yù)報(bào)資料;全縣22個(gè)氣象觀測(cè)站的基礎(chǔ)信息資料包括經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向、距離海岸線距離等資料。

EC數(shù)值模式2013至2016年4年逐日未來(lái)12小時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)08時(shí)、20時(shí)氣溫預(yù)報(bào)資料，預(yù)報(bào)資料為網(wǎng)格化資料，每一個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)次為一張有一定分辨率的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。根據(jù)站點(diǎn)的經(jīng)緯度，通過(guò)插值法，可以獲得數(shù)值預(yù)報(bào)在每個(gè)測(cè)站位置的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

1.2? 地理信息資料

地理信息資料為國(guó)家地理信息中心提供的浙江省基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)，提取200 m×200 m分辨率的寧海縣數(shù)字高程模型DEM及經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)據(jù)。利用ArcGIS自帶函數(shù)，計(jì)算200 m×200 m分辨率的坡度、坡向數(shù)據(jù)。再利用DEM數(shù)據(jù)、海岸線矢量圖計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)距離海岸線距離：

式（1）中x、y為各網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)值，x0、y0為海岸線矢量點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)ArcGIS距離分析計(jì)算，得到各網(wǎng)格點(diǎn)距離海岸線距離最小值形成柵格數(shù)據(jù)，再按點(diǎn)提取離海岸線距離。

2? 研究方法

2.1? DBN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

2006年，Hinton[4]提出了逐層貪婪預(yù)訓(xùn)練受限玻爾茲曼機(jī)的方法，開啟了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新時(shí)代。Hinton將這種基于玻爾茲曼機(jī)預(yù)訓(xùn)練的結(jié)構(gòu)稱為深度置信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（DBN），DBN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前研究和應(yīng)用比較廣泛的深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，是由多個(gè)受限玻爾茲曼機(jī)（RMB）層層疊加而成，而受限玻爾茲曼機(jī)（RBM）是一種具有隨機(jī)性的生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它本質(zhì)上是一種由具有隨機(jī)性的一層可見神經(jīng)元和一層隱藏神經(jīng)元所構(gòu)成的無(wú)向圖模型。它只有在隱藏層和可見層神經(jīng)元之間有連接，可見層神經(jīng)元之間以及隱藏層神經(jīng)元之間都沒有連接。并且，隱藏層神經(jīng)元通常取二進(jìn)制并服從伯努利分布，可見層神經(jīng)元可以根據(jù)輸入的類型取二進(jìn)制或者實(shí)數(shù)值。

DBN 模型它既可以被看作成一個(gè)生成模型，也可以被當(dāng)作成判別模型，其訓(xùn)練過(guò)程是使用非監(jiān)督貪婪逐層方法去預(yù)訓(xùn)練獲得權(quán)值。其核心思想是：

（1）預(yù)訓(xùn)練：對(duì)DBN進(jìn)行分層，分別單獨(dú)無(wú)監(jiān)督地訓(xùn)練每一層RBM網(wǎng)絡(luò)，將其結(jié)果作為高一層的輸入。

（2）微調(diào)：預(yù)訓(xùn)練結(jié)束后，DBN可以利用帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)及BP算法去調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能。RBM網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型的過(guò)程可以看作是對(duì)一個(gè)深層BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)值參數(shù)的初始化，相當(dāng)于DBN的BP算法只需要對(duì)權(quán)值參數(shù)空間進(jìn)行一個(gè)局部的搜索，這使得DBN克服了BP網(wǎng)絡(luò)因隨機(jī)初始化權(quán)值參數(shù)而容易陷入局部最優(yōu)和訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。在貪婪的學(xué)習(xí)算法過(guò)程中，生成模型使用Wake-Sleep算法進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

2.2? 資料預(yù)處理

（1）將EC數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值到22個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度上，確定22個(gè)站點(diǎn)4年內(nèi)逐日兩次預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

（2）將每個(gè)站點(diǎn)每個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、距離海岸線距離、實(shí)況氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)整合為一條數(shù)據(jù)，22個(gè)站點(diǎn)4年時(shí)間一共形成（365×3+ 366）×2×22=64 284條數(shù)據(jù)，將其近似分為5等份。

（3）將每等份數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法，將所有數(shù)據(jù)的值映射到[0—1]之間。函數(shù)為：

X*=（X-min）/（max-min）? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

3? DBN模型在氣溫降尺度插值中的應(yīng)用

3.1? 建立DBN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氣溫降尺度模型

氣象數(shù)值模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品、縣域內(nèi)的地理因素均與實(shí)際氣溫有著良好的相關(guān)性，所以可以利用其相關(guān)性的特征建立DBN氣溫降尺度模型，構(gòu)建一個(gè)輸入層因子為EC模式預(yù)報(bào)氣溫、站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、距離海岸線距離，2層隱藏層的DBN模型，同時(shí)將對(duì)應(yīng)站點(diǎn)、對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)也作為輸入訓(xùn)練DBN模型。得到一個(gè)基于EC數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品的氣溫訂正模型。具體訓(xùn)練以及實(shí)驗(yàn)步驟可分以下幾步：

（1）將4年里的各站點(diǎn)EC數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度、坡度、坡向、距離海岸線距離、實(shí)況數(shù)據(jù)按站按時(shí)次隨機(jī)分為5份。

（2）以其中任意4份數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，另一份留作測(cè)試數(shù)據(jù)，分5次訓(xùn)練DBN模型。

（3）訓(xùn)練完畢后，成功構(gòu)建一個(gè)基于DBN模型訓(xùn)練的氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品的氣溫訂正模型，將5次訓(xùn)練后的另一份數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入模型中;輸出模擬值與實(shí)況氣溫值。

3.2? 檢驗(yàn)結(jié)果分析

將測(cè)試組數(shù)據(jù)代入形成的訂正模型中，生成的模擬值與實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，訓(xùn)練組數(shù)據(jù)經(jīng)模型模擬得到的模擬值與實(shí)況值的平均誤差是1.61度，將模擬值與實(shí)況值進(jìn)行相關(guān)分析，R2=0.977 7;而如不經(jīng)過(guò)DBN模型，將EC數(shù)值預(yù)報(bào)的氣溫產(chǎn)品直接與實(shí)況值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平均誤差為2.79度，R2=0.9614。數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，基于DBN模型訓(xùn)練的訂正模型在一定程度上對(duì)氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)有修正作用。經(jīng)模型模擬的數(shù)據(jù)、未經(jīng)模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)況對(duì)比，如圖1所示。

利用寧海縣域內(nèi)20 m×20 m分辨率的地理信息數(shù)據(jù)、2016年2月5日EC數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)場(chǎng)插值到200 m× 200 m的格點(diǎn)上，將每一個(gè)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)代入上述訓(xùn)練模型中，即可得到寧海縣域2016年2月5日20時(shí)200 m×200 m的精細(xì)化氣溫分布情況，如圖2所示。

4? 結(jié)? 論

氣溫精細(xì)化預(yù)測(cè)是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的研究，隨著整個(gè)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)氣溫預(yù)測(cè)的時(shí)空分辨率要求越來(lái)越高，氣溫對(duì)生產(chǎn)生活有著非同一般的影響，近幾十年來(lái)，氣象預(yù)報(bào)數(shù)值模式得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但對(duì)小范圍、局地性的溫度變化難以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，在數(shù)值模式中，整個(gè)寧海縣域1 900多平方公里的地方可能也就寥寥十幾個(gè)格點(diǎn)，無(wú)論數(shù)值模式的精度如何發(fā)展，僅僅靠數(shù)值模式的預(yù)報(bào)肯定無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)氣溫精細(xì)化預(yù)報(bào)的需求。本文著眼于解決氣溫精細(xì)化預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，選擇了利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)海量的氣溫?cái)?shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和挖掘，最終得到氣溫精細(xì)化預(yù)報(bào)的模型。主要的工作與結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

（1）氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)值模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及測(cè)站的地理信息數(shù)據(jù)真實(shí)性和可靠性是深度學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，本文使用EC細(xì)網(wǎng)格數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制較好。通過(guò)數(shù)據(jù)歸一化預(yù)處理，將復(fù)雜的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)可用的數(shù)據(jù)格式。

（2）本文使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行氣溫精細(xì)化預(yù)測(cè)研究，將6萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù)源分為5份，4/5的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練源，1/5的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，最后驗(yàn)證，經(jīng)DBN模型構(gòu)建的模型有實(shí)用價(jià)值，模擬值準(zhǔn)確度高于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，探明了機(jī)器學(xué)習(xí)方法在氣溫精細(xì)化預(yù)報(bào)上的優(yōu)勢(shì)。

（3）隨機(jī)選取了一個(gè)時(shí)次2016年2月5日20時(shí)的EC氣溫預(yù)報(bào)場(chǎng)代入構(gòu)建的模型計(jì)算，得到精細(xì)化的寧海縣域氣溫分布圖，氣溫分布圖較好的預(yù)報(bào)了沒有測(cè)站區(qū)域的氣溫，也為精細(xì)化氣溫預(yù)報(bào)提供了可行的新方法。

（4）本文考慮影響氣溫的因子有限，沒有包含全縣植被覆蓋資料等其他可能影響氣溫的因子;對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的深入程度還不夠，未選擇更多機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，還需在下一步研究中更進(jìn)一步探討。

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作者簡(jiǎn)介：申子彬（1992—），男，漢族，湖南邵東人，科員，工程師，理學(xué)學(xué)士學(xué)位，研究方向：天氣預(yù)報(bào)與應(yīng)用氣象。