一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法与流程

1.本发明涉及地球科学中数值模式预报产品的释用领域，尤其涉及一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法。


背景技术：

2.对天气气候要素和现象等进行精准的预报预测是气象学发展的主要动力和目标。随着对地探测技术(如卫星遥感、气象雷达)、天气学、气候学、动力气象学、信息通信技术、超级计算机技术、数值计算技术、资料同化技术等的发展，数值天气预报得到了长足的发展，数值模式预报产品的种类不断增加、时空尺度和时效不断扩大、分辨率和准确率不断提高。当前，数值模式预报已成为天气预报和气候预测的基础，数值模式预报水平已成为国家或区域综合能力的象征，欧盟、美国、英国、日本、加拿大、中国等都已建立自己的数值模式预报系统。
3.然而，由于数值模式的动力框架、物理过程只是真实大气的近似、由资料同化得到的模式初值也不可避免的存在误差、大气运动的混沌特性等原因，数值模式总存在着不确定性。另外，不同国家的模式在模式分辨率、模式初始化、资料同化技术与同化资料的种类、动力与物理参数化方案以及对地形的刻画等方面存在差异，不同模式对不同区域、不同产品的预报能力不同。因此，对数值模式预报的产品进行订正或对不同数值模式预报的产品进行集成应用是提高气象预报预测水平的重要手段。
4.当前，线性回归、多模式集合平均、贝叶斯模式平均、卡尔曼滤波、机器学习等方法是数值模式预报产品订正或多模式预报产品集成的主流方法。然而，无论对于何种方法和模型，样本的选择及如何确定样本的权重都至关重要。从已有方案来看，在运用上述方法对模式产品进行订正或集成时，有的仅采用单个格点或站点的样本，有的采用一定区域同一时次的所有样本，有的假定所有的样本有同样的重要性。
5.不仅数值天气气候模式预报产品的释用存在上述问题，海洋等方面的数值模式预报产品释用也存在同样的问题。
6.为进一步提高地球科学中有关数值模式预报产品的释用水平，本发明提出一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法。


技术实现要素：

7.本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述方法包括以下步骤：
10.步骤1：确定待释用区域和数值模式预报产品及其所在层次，并将待释用区域划分为若干子区域；
11.步骤2：获取对应的观测数据和历史数值模式预报产品，构建“观测数据，预报产品”或“观测数据，预报产品，起报时刻误差”样本集并根据需要对样本集进行转换；
12.步骤3：对步骤2中的样本进行预处理和质量控制，并存储待用；
13.步骤4：对每个子区域，选定相应的释用模型、权函数模型、时空距离模型、评估指标和滑动训练期，采用步骤3处理后的样本集，对预报产品客观释用时空局部模型的参数即邻域样本数n、时空距离模型参数和权函数带宽进行优化，或根据经验设定上述参数的值；
14.步骤5：获取预报期数值模式预报产品，并将其插值到所需离散网格；
15.步骤6：对每个子区域，采用步骤4选定的释用模型、权函数模型、时空距离模型和滑动训练期及优化或设定的预报产品客观释用时空局部模型参数，对步骤5中的离散网格数值模式预报产品进行释用；
16.步骤7：建立相关业务系统，重复步骤2-6。
17.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤1 中的数值模式包括但不限于天气气候数值模式、海洋数值模式、地球系统模式；所述步骤1中的数值模式预报产品，包括但不限于天气气候数值模式、地球系统模式预报预测的相对湿度、气压、风速、能见度、地温、土壤湿度，包括但不限于海洋数值模式预报的海水温度、盐度、密度、流速；
18.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤1 中的数值模式预报产品为来源于一家或多家模式的确定性预报、集合平均或其组合。
19.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤2 中的观测数据包括但不限于站点观测数据、浮标观测数据、多源数据融合实况数据、再分析数据；所述步骤2中的预报产品和起报时刻误差可为对应多家模式预报产品和起报时刻误差的向量。
20.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤3 中对样本的预处理和质量控制包括但不限于剔除冗余样本和异常样本。
21.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的释用模型包括但不限于加权线性回归、加权偏最小二乘回归、加权条件概率密度函数、加权logistics回归、加权lasso回归及它们对应的多尺度模型。
22.所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的权函数模型包括但不限于距离阈值模型
①
、高斯模型
②
、指数模型
③
、双平方模型
④
。
[0023][0024][0025][0026]
[0027]
其中，di为样本xi到待释用格点x0的距离，r为权函数带宽，wi(xi)为样本xi的权重。
[0028]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的评估指标包括但不限于平均绝对误差、均方根误差、crps评分、预报准确率、ts评分或其组合。
[0029]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 和步骤6中的预报产品客观释用时空局部模型具体为：根据选定的滑动训练期，对任一离散格点或样本点，利用其周围时空n个样本及相应的释用模型、权函数模型、时空距离模型，都构建一个观测数据与预报产品或观测数据与预报产品和起报时刻误差之间的关系，并利用这个关系对该离散格点或样本点的数值模式预报产品进行释用。
[0030]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 和步骤6中的预报产品客观释用时空局部模型可采用的时空距离模型包括但不限于式
⑤
。
[0031][0032]
其中，d为时空位置x0和xi之间的距离，(u0,v0,t0)、(ui,vi,ti)分别为时空位置x0和xi的时空坐标；μ为时空距离模型参数，根据先验知识或采用交叉验证法确定。
[0033]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤7 中的业务系统包括但不限于数据获取模块、观测数据和预报产品样本对构建模块、样本质量控制模块、参数优化和设定模块、数值模式预报产品插值模块、数值模式预报产品释用模块或其组合。
[0034]
本发明所述样本均包括对应的统一基准的时空坐标，为简明，未显式表示。
[0035]
本发明的有益效果是：通过采用时空局部模型更加准确地建模随时空变化的数值模式预报产品和实况的关系，进一步提高数值模式预报产品的释用水平。
附图说明
[0036]
图1为一种时空距离和时空邻域示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0038]
如图1所示，本发明一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述方法包括以下步骤：
[0039]
步骤1：确定待释用区域和数值模式预报产品及其所在层次，并将待释用区域划分为若干子区域；
[0040]
步骤2：获取对应的观测数据和历史数值模式预报产品，构建“观测数据，预报产品”或“观测数据，预报产品，起报时刻误差”样本集并根据需要对样本集进行转换；
[0041]
步骤3：对步骤2中的样本进行预处理和质量控制，并存储待用；
[0042]
步骤4：对每个子区域，选定相应的释用模型、权函数模型、时空距离模型、评估指标和滑动训练期，采用步骤3处理后的样本集，对预报产品客观释用时空局部模型的参数即邻域样本数n、时空距离模型参数和权函数带宽进行优化，或根据经验设定上述参数的值；
[0043]
步骤5：获取预报期数值模式预报产品，并将其插值到所需离散网格；
[0044]
步骤6：对每个子区域，采用步骤4选定的释用模型、权函数模型、时空距离模型和
滑动训练期及优化或设定的预报产品客观释用时空局部模型参数，对步骤5中的离散网格数值模式预报产品进行释用；
[0045]
步骤7：建立相关业务系统，重复步骤2-6。
[0046]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤1 中的数值模式包括但不限于天气气候数值模式、海洋数值模式、地球系统模式；所述步骤1中的数值模式预报产品，包括但不限于天气气候数值模式、地球系统模式预报预测的相对湿度、气压、风速、能见度、地温、土壤湿度，包括但不限于海洋数值模式预报的海水温度、盐度、密度、流速。
[0047]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤1 中的数值模式预报产品为来源于一家或多家模式的确定性预报、集合平均或其组合。
[0048]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤2 中的观测数据包括但不限于站点观测数据、浮标观测数据、多源数据融合实况数据、再分析数据；所述步骤2中的预报产品和起报时刻误差可为对应多家模式预报产品和起报时刻误差的向量。
[0049]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤3 中对样本的预处理和质量控制包括但不限于剔除冗余样本和异常样本。
[0050]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的释用模型包括但不限于加权线性回归、加权偏最小二乘回归、加权条件概率密度函数、加权logistics回归、加权lasso回归及它们对应的多尺度模型。
[0051]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的权函数模型包括但不限于距离阈值模型
①
、高斯模型
②
、指数模型
③
、双平方模型
④
中的一种或几种(用于多尺度模型)。
[0052]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的评估指标包括但不限于平均绝对误差、均方根误差、crps评分、预报准确率、ts评分或其组合。
[0053]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 中可采用的参数优化方法包括但不限于网格搜索参数优化法、随机搜索参数优化法；以网格搜索参数优化法为例：将步骤4中所有参数的可能区间离散化，并对它们进行组合；对每个参数组合，采用选定的释用模型、权函数模型、时空距离模型，对滑动训练期子区域内的每个样本点都构建一个观测数据与预报产品或观测数据与预报产品和起报时刻误差之间的关系，并利用这个关系对该样本点的数值模式预报产品进行释用，并将释用结果存储待用；根据释用结果，计算每个参数组合的评估指标，并根据评估指标确定最优参数组合。
[0054]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 和步骤6中的预报产品客观释用时空局部模型具体为：根据选定的滑动训练期，对任一离散格点或样本点，利用其周围时空n个样本及相应的释用模型、权函数模型、时空距离模型，都构建一个观测数据与预报产品或观测数据与预报产品和起报时刻误差之间的关系，并利用这个关系对该离散格点或样本点的数值模式预报产品进行释用。
[0055]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤4 和步骤6中的预报产品客观释用时空局部模型可采用的时空距离模型包括但不限于式
⑤
。
[0056]
所述一种基于时空局部模型的数值模式预报产品客观释用方法，所述步骤7 中的业务系统包括但不限于数据获取模块、观测数据和预报产品样本对构建模块、样本质量控制模块、参数优化和设定模块、数值模式预报产品插值模块、数值模式预报产品释用模块或其组合。
[0057]
实施例1
[0058]
对每天ecmwf模式00时(世界时)起报的第3小时的海南岛细网格 (0.125
°×
0.125
°
)10m风速预报产品，进行客观释用。
[0059]
步骤1：按照行政区划将海南岛划分为18个子区域；
[0060]
步骤2：获取海南岛0.05
°×
0.05
°
中国智能网格实况融合分析产品(cldas) 和历史ecmwf模式00时(世界时)起报的第3小时的海南岛细网格10m风速预报产品；并参照曾晓青(曾晓青,薛峰,姚莉,赵声蓉.针对模式风场的格点预报订正方案对比[j].应用气象学报,2019,30(01):49-60)的方法，构建10m风速(观测数据，预报产品，起报时刻误差)样本集；
[0061]
步骤3：对步骤2中的样本进行预处理和质量控制；
[0062]
步骤4：对每个子区域，释用模型采用2元加权线性回归，权函数模型采用高斯模型(式
②
)，时空距离模型采用式
⑤
，评估指标采用平均绝对误差，滑动训练期设为31天，采用步骤3处理后的样本集和随机搜索参数优化法，对10m 风速预报产品客观释用时空局部模型参数即邻域样本数n、时空距离模型参数μ和权函数带宽r进行优化；
[0063]
步骤5：获取预报期海南岛范围内的ecmwf模式细网格第3小时10m风速预报产品，并采用双线性插值法将其插值到与中国智能网格实况融合分析产品(cldas)一致的0.05
°×
0.05
°
网格；
[0064]
步骤6：对每个子区域，采用步骤4选定的释用模型、权函数模型、时空距离模型和滑动训练期及优化的10m风速预报产品客观释用时空局部模型参数，对步骤5插值后的第3小时10m风速预报产品进行释用；
[0065]
步骤7：建立相关业务系统，重复步骤2-6。
[0066]
实施例2
[0067]
对欧洲中期天气预报中心(ecmwf)、日本气象厅(jma)、美国国家环境预报中心(ncep)、中国气象局(cma)和英国气象局(ukmo)五个中心的全球集合预报模式每天12时(世界时)起报的第3天的东北半球(0-80
°
n，0-160
°
e) 500hpa位势高度场控制预报产品，进行多模式集成客观释用。
[0068]
步骤1：按照10
°×
10
°
区域大小，将东北半球分为不同子区域；
[0069]
步骤2：获取ncep/ncar逐日12:00500hpa位势高度场再分析资料，并与各中心全球集合预报模式的历史控制预报产品构建(观测数据，预报产品) 样本集。
[0070]
步骤3：对步骤2中的样本进行预处理和质量控制；
[0071]
步骤4：对每个子区域，释用模型采用5元加权线性回归，权函数模型采用高斯模型(式
②
)，时空距离模型采用式
⑤
，评估指标采用均方根误差，滑动训练期设为15天，采用步骤3处理后的样本集和随机搜索参数优化法，对500hpa 位势高度场控制预报产品客观释用时空局部模型参数即邻域样本数n、时空距离模型参数μ和权函数带宽r进行优化；
[0072]
步骤5：获取预报期5个中心每天12时(世界时)起报的第3天的东北半球 500hpa位
势高度场控制预报产品，并插值到与ncep/ncar再分析资料一致的网格；
[0073]
步骤6：对每个子区域，采用步骤4选定的释用模型、权函数模型、时空距离模型和滑动训练期及优化的500hpa位势高度场控制预报产品客观释用时空局部模型参数，对步骤5插值后的5个中心的预报期控制预报产品进行集成释用；
[0074]
步骤7：建立业务系统，重复步骤2-6。