[发明专利]NRIET暴雨智能相似分析方法

摘要

本发明公开了一种NRIET暴雨智能相似分析方法，这里气象大数据相似预报方法，通过机器学习得到相似判据，能够更加准确地建立相似度计算的方案，同时，使用相似离度作为衡量标准，不但考虑了要素的数值相似，而且加入了天气系统的形变因素。此外，结合图像大数据相似度定量衡量天气过程中不同变量场的相似程度，逐步引入要素场进行相似过滤，最终得到相似个例的日期，基于这些相似个例所对应的历史实况作为制作天气预报的依据。该方法结合图形大数据技术和传统相似算法，利用数值预报产品提供的大气环流演变趋势，考虑天气发展过程的三维结构特征，兼顾大气本身的线性和非线性变化规律，具有思路明确，直观性强的特点，辅助预报和分析。

主权项

1.一种NRIET暴雨智能相似分析方法，包括以下步骤：步骤1：基于数值预报再分析数据、卫星图像数据和暴雨数据，建立时间深度为10年以上的历史资料库；步骤2：将当前资料处理为与历史资料相同结构的数据，对历史资料库和当前数据进行标准化处理；步骤3：相似判据选取基于不同的暴雨过程，建立降水量与海平面气压，2米高度温度、相对湿度和风向、风速；标准等压面上的位势高度、温度、相对湿度、U风分量、V风分量；诊断物理量：涡度、散度、垂直速度、的相关关系，利用机器学习的方法XgBoost建立降雨量与各个气象要素的数学关系模型，计算不同的要素与降雨量的相关系数，根据相关系数的大小筛选出与降水量关系更强的气象要素，作为后续相似分析过程中的比较判据；步骤4：相似区域选取相似计算：即“历史同期”过程的时间范围以及对每个形势场的扫描区域范围；对于空间边界的选取，必须研究目标区的天气影响关键区，根据预报区多年天气统计资料结合数值预报产品选取范围适当相似区域；在进行形势场过滤中分步进行了大小相似区域筛选，使得最终得到的形势场相似度更高，计算时间更短；设置多层嵌套的方案进行相似度计算；结合相似判据的特点，第一层次利用500hPa位势高度场进行相似筛选，主要反映大尺度环流形势的相似程度；第二层次利用温度场、湿度场、涡度场、散度场，风场，垂直速度场进行相似筛选，主要反映影响系统发生发展的主要物理因子的相似程度；第三层次利用位温场、垂直速度场、Cape值的物理量场进行相似筛选，主要反映影响系统发生发展的主要物理因子的相似程度；步骤5：物理量相似度计算这里的相似度计算，是从图像识别的角度，考虑相似判据的整体性，根据不同气象要素在相似区域内图像的峰值性噪比PSNR来分析对比相似程度，从而判断当前气象要素场与历史暴雨形势场的相似性，辅助分析；式中m，n为图像的高度和宽度，I和K分别是单色图像，MSE为俩个图像的均方差；i，j代表图像数据场中点的横纵坐标；I(i，j)，K(i，j)表示两个单色图像数据的灰度格点值；其中，MAX_I是表示图像点颜色的最大数值；步骤6：卫星云图相似度计算，即哈希算法这里考虑卫星云图的整体图像特征，通过图形去噪处理后，获取卫星的真实数据图像，进行图像比对对每张图片生成一个″指纹″字符串，然后比较不同图片的指纹；结果越接近，图片越相似；通过使用汉明距离比较不同图像的差异；在气象相似分析时，将卫星云图数据作为图像，进行历史相似分析计算，从图像角度完整地考虑了卫星二维场的相似性；步骤7：相似度排序针对不同的相似判据因子，分别计算了当前时刻的物理要素量与历史库中的要素量的相似度，根据相似判据的重要性程度及区域划分情况，按照不同区域逐层筛选因子；最后依据最终的相似度的指标进行排序，筛选出顺序排在前面的相似个例，辅助预报；具体实现步骤为(1)先由500hPa高度场计算相似，并从历史样本中初选出100个相对最相似的个例；再从这50个个例中用850hPa的散度值Dir、涡度值Vort进行二次过滤，选出25个相似个例；最后比较这25个个例的第三层区域垂直速度场和位温场的相似程度，选得5个最佳相似个例；(2)在初选出上述50个形势相似个例后，再由850hpa和200hpa的散度差Div850‑200和850hpa和200hpa的涡度差Vort850‑200进行二次过滤，从中选出25个个例；最后计算这25个个例最内层垂直速度场和Cape值的相似情况，选出5个最佳相似个例；(3)基于(1)中得到的100个个例，先由Div850‑200和Vort850‑200初选出50个相似个例；再用850hPa的水平风速场u垂直速度场v作二次过滤，从中选出25个风场也较相似的个例；最后比较这25个个例850hPa的位温场和Cape值的相似性，选出5个最佳相似个例。得到15个相似个例后，根据15个相似个例中各级降水出现的频率来预报降水等级。初步规定在15个例中：5/15出现暴雨，即可预报暴雨；7/15出现大雨，即可预报大雨；8/15出现中雨，即可预报中雨；10/15出现小雨，即可预报小雨；不满足以上条件，但如果有10/15出现降水，即可预报小雨；以上条件都不满足，预报无降水。进行过滤后，不断调整以上参数，使降水预报TS评分达到最高为止，确定最终的相似判据。