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月降水量的深度学习-协同进化支持向量机短期气候混合预测模型研究

批准号:
42065004
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
陆虹
学科分类:
气候与气候系统
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陆虹

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
项目针对月降水量变化具有显著的非线性、复杂性和不确定性,预报建模样本量较小,预报建模需要挖掘、提取多重影响因子高维数据集有效预报信息等问题,以广西夏季(6-8月)、89站的逐月月平均降水量为预报研究对象,拟采用支持向量机(SVM)方法以及增加不同的长短期记忆(LSTM)网络模块和特征融合层对深度学习长短期记忆网络进行改进,构建可以逐层学习、深入挖掘深层次数据特征信息、更适用于小样本和高维数据集的月平均降水量短期气候混合预测模型。并针对决定支持向量机性能最重要的核函数类型选择、核函数参数匹配,以及最优特征训练子集等问题,尝试采用粒子群算法、模拟退火算法和遗传算法等混合智能计算技术,进行支持向量机的核函数、惩罚系数、不敏感损失函数及最优特征训练子集的并行协同进化算法和协同进化策略研究。建立一种基于深度学习协同进化支持向量机的月平均降水量短期气候混合预测预报建模理论方法和预报模型。
英文摘要
There is significant nonlinearity, complexity and uncertainty for the monthly precipitation change, besides, the sample size of forecast modeling is small, and it is necessary to mine and extract effective forecast information from high-dimensional data sets with multiple influencing factors. In this project, the monthly average precipitation of 89 stations over Guangxi in summer (June-August) is taken as the forecast object. The support vector machine (SVM) method, different Long Short-Term Memory (LSTM) network modules and feature fusion layers are employed to improve the LSTM network of deep learning. By means of layer by layer learning and deep mining of data feature information, this short-term climate mixed prediction model for monthly average precipitation is more suitable for small samples and high-dimensional data sets. Aiming at the problems of kernel function type selection, kernel function parameter matching, and optimal feature training subset that determine the performance of SVM, the hybrid intelligent computing technology such as particle swarm optimization algorithm, simulated annealing algorithm and genetic algorithm has been used for the research on parallel cooperation algorithms and coevolution strategies for kernel function, penalty coefficient, insensitive loss function and optimal feature training subset of SVM. Therefore, a mixed forecast modeling theory method and forecast model for monthly average precipitation of short-term climate has been developed based on deep learning and co-evolutionary support vector machine.
本项目已按原计划全面完成了研究任务,主要内容如下:.一、研究期间共完成研究论文29篇,其中已发表21篇,2篇论文被SCI或EI收录,9篇为国家自然科学核心期刊;2篇EI国际期刊论文收到刊用通知;完成待发表6篇,其中1篇SCI期刊论文一审修回,1篇SCI期刊论文审稿中。.二、培养硕士研究生2名。项目组3名主要成员由专业技术四级岗晋升为三级岗,1名成员由工程师晋升为高级工程师。.三、完成的主要研究内容及创新特色:.1、揭示了广西前汛期降水变化特征及其与东南太平洋、大西洋海温变化的因果联系,发现东南太平洋和热带大西洋海温变化是影响广西前汛期降水的重要因素。分析了广西暴雨、极端暴雨事件的西太平洋副高、南海季风槽等天气系统的相互作用机制和天气气候特征。.2、首次提出了在采用粒子群(PSO)优化长短期记忆深度学习模型超参数的同时,建立一种月降水的深度学习集成预报模型,并结合预报量场的时空特征分解,建立了PSO-LSTM广西夏季月降水预报系统,2023年广西81个站6、7、8月的预报PS评分分别达到86.2、85.8和84.8,为实际业务预报提供了新的预报建模理论方法。.3、有针对性开展了3种新的深度学习月降水预报建模方法研究:(1)为了充分提取月降水预报时序特征和物理量场空间特征,建立了一种卷积神经网络和双向长短期记忆网络的月降水量组合预报模型(CNN-BiLSTM);(2)在长短期记忆网络模型中,嵌入注意力机制层建立了(ATT-LSTM)月降水量预报模型,增强了对影响降水变化重要特征变量予以更多的关注权重;(3)建立了采用能量谷优化算法优化模型参数的卷积网络结合长短期记忆网络和注意力机制的月降水混合预报模型(EVO-CNN-LSTM-ATT)。通过这些针对性的创新改进研究,不仅开拓了深度学习月降水短期气候预测新方法也显著提高了预报模型的预报精度和预报稳定性。.4、探索了多种智能计算方法(包括模糊神经网络、支持向量机、极限学习机、加性神经网络集成等)在广西月降水预报中的应用,进行了将机器学习算法应用于气候模式降水预测的订正,以提高预报精度。.另外,本项目研发的“广西短期气候智能计算集成预测”业务系统投入业务应用。研究结果对提高广西短期气候预测精度和防灾减灾能力具有重要意义,为广西气象预报业务提供了新的技术手段和理论支撑。
月降水量的深度学习-协同进化支持向量机短期气候混合预测模型研究
基于数值预报产品的广西低温雨雪冰冻过程模糊神经网络集合预报方法研究
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