搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于机器学习的非线性局部Lyapunov向量集合预报订正

康俊锋 冯松江 邹倩 李艳杰 丁瑞强 钟权加

引用本文:
Citation:

基于机器学习的非线性局部Lyapunov向量集合预报订正

康俊锋, 冯松江, 邹倩, 李艳杰, 丁瑞强, 钟权加

Machine learning based method of correcting nonlinear local Lyapunov vectors ensemble forecasting

Kang Jun-Feng, Feng Song-Jiang, Zou Qian, Li Yan-Jie, Ding Rui-Qiang, Zhong Quan-Jia
PDF
HTML
导出引用
  • 基于Lorenz96模型初步探讨了机器学习算法提高非线性局部Lyapunov向量(NLLV)集合预报效果的可行性和有效性. 结果表明: 基于岭回归算法和NLLV集合预报结果建立的机器学习模型(Ens-ML)能够有效提高整体预报技巧, 而且优于集合平均预报(EnsAve)、控制预报(Ctrl)以及基于Ctrl结果建立的机器学习模型(Ctrl-ML). 同时, 还发现Ens-ML的预报技巧改进程度依赖于集合成员的数量, 即增加集合成员数有助于提高Ens-ML模型的整体预报准确率. 通过对比个例预报表现得到, 随着预报时间延长, Ens-ML, Ctrl-ML和EnsAve的个例预报误差逐渐小于Ctrl. 进一步分析Ens-ML, Ctrl-ML和EnsAve预报的吸引子, 发现它们的概率分布的值域收缩、峰度增大并向平均值靠拢, 尤其Ens-ML的表现更为明显.
    In this study, the feasibility and effectiveness of machine learning algorithm to improve ensemble forecasts using nonlinear local Lyapunov vectors (NLLVs) are explored preliminarily based on the Lorenz96 model. The results show that the machine learning model (Ens-ML) based on the ridge regression algorithm and the results of NLLV ensemble forecasting can effectively improve the overall forecasting skill. The Ens-ML outperforms the ensemble-averaged forecasting (EnsAve) and control forecasts (Ctrl) as well as the machine learning model based on Ctrl results (Ctrl-ML). It is also found that the improvement of forecasting skill depends on the total number of ensemble members used in the Ens-ML model, i.e. the increase of the number of ensemble members is conducive to the improvement of forecasting skill and to the decrease of overfitting in the early stage. By comparing the performances among different experimental cases, we find that the experimental forecasting errors of Ens-ML, Ctrl-ML and EnsAve are gradually smaller than that of Ctrl as the forecasting time increases. The attractors forecasted by Ens-ML, Ctrl-ML and EnsAve are also analyzed. Their attractor probability distributions show a contraction of the value domain, an increase in kurtosis and a convergence to the mean, especially for Ens-ML.
      通信作者: 钟权加, zqj@lasg.iap.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 42105059, 41975070)、上海台风研究基金(批准号: TFJJ202108)和江西省03专项及5G项目(批准号: 20204ABC03A04)资助的课题.
      Corresponding author: Zhong Quan-Jia, zqj@lasg.iap.ac.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 42105059, 41975070), the Shanghai Typhoon Research Foundation (Grant No. TFJJ202108), and the Jiangxi 03 and 5G project, China (Grant No. 20204ABC03A04).
    [1]

    Lorenz E N 1963 J. Atmos. Sci. 20 130Google Scholar

    [2]

    Leith C E 1974 Mon. Wea. Rev. 102 409Google Scholar

    [3]

    Epstein E S 1969 Tellus 21 739

    [4]

    张立凤, 罗雨 2010 气象科学 30 650Google Scholar

    Zhang L F, Luo Y 2010 Sci. Meteor. Sin. 30 650Google Scholar

    [5]

    杜钧, 李俊 2014 气象科技进展 4 6

    Du J, Li J 2014 Adv. Meteor. Sci. Tech. 4 6

    [6]

    段晚锁, 汪叶, 霍振华, 周菲凡 2019 气候与环境研究 24 396

    Duan W S, Wang Y, Huo Z H, Zhou F F 2019 Clim. Env. Res. 24 396

    [7]

    杜钧, 陈静 2010 气象 36 1

    Du J, Chen J 2010 Meteor. Mon. 36 1

    [8]

    Toth Z, Kalnay E 1997 Mon. Wea. Rev. 125 3297Google Scholar

    [9]

    Toth Z, Kalnay E 1993 Bull. Amer. Meteor. Soc. 74 2317Google Scholar

    [10]

    Molteni F, Buizza R, Palmer T N, Petroliagis T 1996 Q. J. R. Meteor. Soc. 122 73Google Scholar

    [11]

    Bishop C H, Toth Z 1999 J. Atmos. Sci. 56 1748Google Scholar

    [12]

    Evensen G 2003 Ocean Dyn. 53 343Google Scholar

    [13]

    Duan W, Huo Z 2016 J. Atmos. Sci. 73 997Google Scholar

    [14]

    Feng J, Ding R, Liu D, Li J 2014 J. Atmos. Sci. 71 3554Google Scholar

    [15]

    Ding R Q, Li J, Li B 2017 Adv. Atmos. Sci. 34 1027Google Scholar

    [16]

    Norwood A, Kalnay E, Ide K, Yang S-C, Wolfe C 2013 J. Phys. A:Math. Theor. 46 254021Google Scholar

    [17]

    李娟, 尉鹏, 戴学之, 赵森, 张博雅, 吕玲玲, 胡京南 2021 环境科学研究 34 872

    Li J, Wei P, Dai X Z, Zhao S, Zhang B Y, Lv L L, Hu J N 2021 Res. Env. Sci. 34 872

    [18]

    贺圣平, 王会军, 李华, 赵家臻 2021 大气科学学报 44 26

    He S P, Wang H J, Li H, Zhao J Z 2021 Trans. Atmos. Sci. 44 26

    [19]

    康俊锋, 谭建林, 方雷, 肖亚来 2021 中国环境科学 41 4016Google Scholar

    Kang J F, Tan J L, Fang L, Xiao Y L, 2021 Chi. Env. Sci. 41 4016Google Scholar

    [20]

    付旭东, 王金艳, 李龙燕, 陈金车, 苏士翔, 常伟, 王明 2021 兰州大学学报(自然科学版) 57 503

    Fu X D, Wang J Y, Li L Y, Chen J C, Su S X, Chang W, Wang M 2021 J. Lanzhou Univ. (Natural Sciences) 57 503

    [21]

    门晓磊, 焦瑞莉, 王鼎, 赵晨光, 刘亚昆, 夏江江, 李昊辰, 严中伟, 孙建华, 王立志 2019 气候与环境研究 24 116Google Scholar

    Men X L, Jiao R L, Wang D, Zhao C G, Liu Y K, Xia J J, Li H C, Yan Z W, Sun J H, Wang L Z 2019 Clim. Env. Res. 24 116Google Scholar

    [22]

    Ham Y G, Kim J H, Luo J J 2019 Nature 573 568Google Scholar

    [23]

    梁丁, 顾斌, 丁瑞强, 李建平, 钟权加 2018 物理学报 67 070501Google Scholar

    Liang D, Gu B, Ding R Q, Li J P, Zhong Q J 2018 Acta Phys. Sin. 67 070501Google Scholar

    [24]

    Lorenz E N 1996 Predictability: A problem partly solved. Proc. Seminar on Predictability, Vol. I, Reading, United Kingdom, ECMWF, 1–18.

    [25]

    Feng J, Ding R Q, Li J P, Liu D Q 2016 Adv. Atmos. Sci. 33 1036Google Scholar

    [26]

    Hou Z, Li J, Ding R, Feng J, Duan W 2018 Clim. Dynam. 51 283Google Scholar

    [27]

    Feng J, Li J P, Ding R Q, Toth Z 2018 J. Atmos. Sci. 75 1073Google Scholar

    [28]

    Hoerl A E, Kennard R W 1970 Technometrics 12 69Google Scholar

    [29]

    Bager A, Roman M, Algelidh M, Mohammed B 2017 J. Soc. Econo. Stat. 6 30

    [30]

    胡占占, 陈传法, 胡保健 2021 环境科学学报 41 4228

    Hu Z Z, Chen C F, Hu B J 2021 Acta. Sci. Circum. 41 4228

    [31]

    Murphy A H, Epstein E S 1989 Mon. Wea. Rev. 117 572Google Scholar

  • 图 1  NLLVs扰动生成示意图[15]

    Fig. 1.  Schematic diagram of the generation of NLLVs[15] .

    图 2  各集合成员间的相关系数矩阵

    Fig. 2.  Correlation coefficient matrix of ensemble members.

    图 3  机器学习模型构建流程图

    Fig. 3.  Process of machine learning.

    图 4  不同预报方法下Lorenz96模型的X变量时间序列 (a) Ctrl; (b) EnsAve; (c) Ctrl-ML; (d) Ens-ML(黑线为真值的时间序列)

    Fig. 4.  The time series of X variable of Lorenz96 model for different forecast methods: (a) Ctrl; (b) EnsAve; (c) Ctrl-ML; (d) Ens-ML. Black line represents time series of true values.

    图 5  不同预报方法得到的平均RMSE (a)和平均PAC (b)随时间步长的变化

    Fig. 5.  The average RMSE (a) and average PAC (b) for different forecast methods.

    图 6  EnsAve, Ens-ML, Ctrl-ML相对于Ctrl预报的改进程度

    Fig. 6.  The improvement of the EnsAve, Ens-ML and Ctrl-ML compared to Ctrl.

    图 7  不同预报方法的误差概率分布

    Fig. 7.  The probability distribution of forecast errors for different methods.

    图 8  Ens-ML模型的R² 随集合成员数的变化

    Fig. 8.  Changes of the R² with the number of ensemble member used in the Ens-ML model.

    图 9  试验个例在不同时刻的EnsAve, Ctrl-ML和Ens-ML与Ctrl的预报误差 (a)—(c) 0 tus; (d)—(f) 10 tus; (g)—(i) 20 tus; (j)—(l) 30 tus; (m)—(o) 40 tus

    Fig. 9.  Scatterplot of forecast error at different leading times between the EnsAve, Ctrl-ML, Ens-ML and the Ctrl, respectively: (a)–(c) 0 tus; (d)–(f) 10 tus; (g)–(i) 20 tus; (j)–(l) 30 tus; (m)–(o) 40 tus .

    图 10  不同预报方法中X变量状态的概率分布随时间的变化

    Fig. 10.  Probability distributions of X variables for different leading times.

    图 11  不同预报方法的结果与真实状态的对比分布

    Fig. 11.  Scatterplot of the forecast value.

    表 1  不同预报方法的预报结果比较

    Table 1.  Evaluation of forecast results in different forecasting methods.

    评价方法
    CtrlEnsAveCtrl-MLEns-ML
    R²0.770.820.780.83
    MAE0.900.860.970.85
    MSE3.052.402.882.31
    RMSE1.751.551.701.52
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Lorenz E N 1963 J. Atmos. Sci. 20 130Google Scholar

    [2]

    Leith C E 1974 Mon. Wea. Rev. 102 409Google Scholar

    [3]

    Epstein E S 1969 Tellus 21 739

    [4]

    张立凤, 罗雨 2010 气象科学 30 650Google Scholar

    Zhang L F, Luo Y 2010 Sci. Meteor. Sin. 30 650Google Scholar

    [5]

    杜钧, 李俊 2014 气象科技进展 4 6

    Du J, Li J 2014 Adv. Meteor. Sci. Tech. 4 6

    [6]

    段晚锁, 汪叶, 霍振华, 周菲凡 2019 气候与环境研究 24 396

    Duan W S, Wang Y, Huo Z H, Zhou F F 2019 Clim. Env. Res. 24 396

    [7]

    杜钧, 陈静 2010 气象 36 1

    Du J, Chen J 2010 Meteor. Mon. 36 1

    [8]

    Toth Z, Kalnay E 1997 Mon. Wea. Rev. 125 3297Google Scholar

    [9]

    Toth Z, Kalnay E 1993 Bull. Amer. Meteor. Soc. 74 2317Google Scholar

    [10]

    Molteni F, Buizza R, Palmer T N, Petroliagis T 1996 Q. J. R. Meteor. Soc. 122 73Google Scholar

    [11]

    Bishop C H, Toth Z 1999 J. Atmos. Sci. 56 1748Google Scholar

    [12]

    Evensen G 2003 Ocean Dyn. 53 343Google Scholar

    [13]

    Duan W, Huo Z 2016 J. Atmos. Sci. 73 997Google Scholar

    [14]

    Feng J, Ding R, Liu D, Li J 2014 J. Atmos. Sci. 71 3554Google Scholar

    [15]

    Ding R Q, Li J, Li B 2017 Adv. Atmos. Sci. 34 1027Google Scholar

    [16]

    Norwood A, Kalnay E, Ide K, Yang S-C, Wolfe C 2013 J. Phys. A:Math. Theor. 46 254021Google Scholar

    [17]

    李娟, 尉鹏, 戴学之, 赵森, 张博雅, 吕玲玲, 胡京南 2021 环境科学研究 34 872

    Li J, Wei P, Dai X Z, Zhao S, Zhang B Y, Lv L L, Hu J N 2021 Res. Env. Sci. 34 872

    [18]

    贺圣平, 王会军, 李华, 赵家臻 2021 大气科学学报 44 26

    He S P, Wang H J, Li H, Zhao J Z 2021 Trans. Atmos. Sci. 44 26

    [19]

    康俊锋, 谭建林, 方雷, 肖亚来 2021 中国环境科学 41 4016Google Scholar

    Kang J F, Tan J L, Fang L, Xiao Y L, 2021 Chi. Env. Sci. 41 4016Google Scholar

    [20]

    付旭东, 王金艳, 李龙燕, 陈金车, 苏士翔, 常伟, 王明 2021 兰州大学学报(自然科学版) 57 503

    Fu X D, Wang J Y, Li L Y, Chen J C, Su S X, Chang W, Wang M 2021 J. Lanzhou Univ. (Natural Sciences) 57 503

    [21]

    门晓磊, 焦瑞莉, 王鼎, 赵晨光, 刘亚昆, 夏江江, 李昊辰, 严中伟, 孙建华, 王立志 2019 气候与环境研究 24 116Google Scholar

    Men X L, Jiao R L, Wang D, Zhao C G, Liu Y K, Xia J J, Li H C, Yan Z W, Sun J H, Wang L Z 2019 Clim. Env. Res. 24 116Google Scholar

    [22]

    Ham Y G, Kim J H, Luo J J 2019 Nature 573 568Google Scholar

    [23]

    梁丁, 顾斌, 丁瑞强, 李建平, 钟权加 2018 物理学报 67 070501Google Scholar

    Liang D, Gu B, Ding R Q, Li J P, Zhong Q J 2018 Acta Phys. Sin. 67 070501Google Scholar

    [24]

    Lorenz E N 1996 Predictability: A problem partly solved. Proc. Seminar on Predictability, Vol. I, Reading, United Kingdom, ECMWF, 1–18.

    [25]

    Feng J, Ding R Q, Li J P, Liu D Q 2016 Adv. Atmos. Sci. 33 1036Google Scholar

    [26]

    Hou Z, Li J, Ding R, Feng J, Duan W 2018 Clim. Dynam. 51 283Google Scholar

    [27]

    Feng J, Li J P, Ding R Q, Toth Z 2018 J. Atmos. Sci. 75 1073Google Scholar

    [28]

    Hoerl A E, Kennard R W 1970 Technometrics 12 69Google Scholar

    [29]

    Bager A, Roman M, Algelidh M, Mohammed B 2017 J. Soc. Econo. Stat. 6 30

    [30]

    胡占占, 陈传法, 胡保健 2021 环境科学学报 41 4228

    Hu Z Z, Chen C F, Hu B J 2021 Acta. Sci. Circum. 41 4228

    [31]

    Murphy A H, Epstein E S 1989 Mon. Wea. Rev. 117 572Google Scholar

  • [1] 张童, 王加豪, 田帅, 孙旭冉, 李日. 基于机器学习的铸件凝固过程动态收缩行为研究. 物理学报, 2025, 74(2): . doi: 10.7498/aps.74.20241581
    [2] 郭焱, 吕恒, 丁春玲, 袁晨智, 金锐博. 分数阶涡旋光衍射过程的机器学习识别. 物理学报, 2025, 74(1): 1-8. doi: 10.7498/aps.74.20241458
    [3] 邓祥文, 伍力源, 赵锐, 王嘉鸥, 赵丽娜. 机器学习在光电子能谱中的应用及展望. 物理学报, 2024, 73(21): 210701. doi: 10.7498/aps.73.20240957
    [4] 宋睿, 刘雪梅, 王海滨, 吕皓, 宋晓艳. 机器学习辅助的WC-Co硬质合金硬度预测. 物理学报, 2024, 73(12): 126201. doi: 10.7498/aps.73.20240284
    [5] 张桥, 谭薇, 宁勇祺, 聂国政, 蔡孟秋, 王俊年, 朱慧平, 赵宇清. 基于机器学习和第一性原理计算的Janus材料预测. 物理学报, 2024, 73(23): 230201. doi: 10.7498/aps.73.20241278
    [6] 张旭, 丁进敏, 侯晨阳, 赵一鸣, 刘鸿维, 梁生. 基于机器学习的激光匀光整形方法. 物理学报, 2024, 73(16): 164205. doi: 10.7498/aps.73.20240747
    [7] 张嘉晖. 蛋白质计算中的机器学习. 物理学报, 2024, 73(6): 069301. doi: 10.7498/aps.73.20231618
    [8] 郭唯琛, 艾保全, 贺亮. 机器学习回归不确定性揭示自驱动活性粒子的群集相变. 物理学报, 2023, 72(20): 200701. doi: 10.7498/aps.72.20230896
    [9] 刘烨, 牛赫然, 李兵兵, 马欣华, 崔树旺. 机器学习在宇宙线粒子鉴别中的应用. 物理学报, 2023, 72(14): 140202. doi: 10.7498/aps.72.20230334
    [10] 管星悦, 黄恒焱, 彭华祺, 刘彦航, 李文飞, 王炜. 生物分子模拟中的机器学习方法. 物理学报, 2023, 72(24): 248708. doi: 10.7498/aps.72.20231624
    [11] 张逸凡, 任卫, 王伟丽, 丁书剑, 李楠, 常亮, 周倩. 机器学习结合固溶强化模型预测高熵合金硬度. 物理学报, 2023, 72(18): 180701. doi: 10.7498/aps.72.20230646
    [12] 黎威, 龙连春, 刘静毅, 杨洋. 基于机器学习的无机磁性材料磁性基态分类与磁矩预测. 物理学报, 2022, 71(6): 060202. doi: 10.7498/aps.71.20211625
    [13] 艾飞, 刘志兵, 张远涛. 结合机器学习的大气压介质阻挡放电数值模拟研究. 物理学报, 2022, 71(24): 245201. doi: 10.7498/aps.71.20221555
    [14] 张嘉伟, 姚鸿博, 张远征, 蒋伟博, 吴永辉, 张亚菊, 敖天勇, 郑海务. 通过机器学习实现基于摩擦纳米发电机的自驱动智能传感及其应用. 物理学报, 2022, 71(7): 078702. doi: 10.7498/aps.71.20211632
    [15] 林键, 叶梦, 朱家纬, 李晓鹏. 机器学习辅助绝热量子算法设计. 物理学报, 2021, 70(14): 140306. doi: 10.7498/aps.70.20210831
    [16] 陈江芷, 杨晨温, 任捷. 基于波动与扩散物理系统的机器学习. 物理学报, 2021, 70(14): 144204. doi: 10.7498/aps.70.20210879
    [17] 杨自欣, 高章然, 孙晓帆, 蔡宏灵, 张凤鸣, 吴小山. 铅基钙钛矿铁电晶体高临界转变温度的机器学习研究. 物理学报, 2019, 68(21): 210502. doi: 10.7498/aps.68.20190942
    [18] 梁丁, 顾斌, 丁瑞强, 李建平, 钟权加. 基于Lorenz模型的集合预报与单一预报的比较研究. 物理学报, 2018, 67(7): 070501. doi: 10.7498/aps.67.20172144
    [19] 郑志海, 封国林, 黄建平, 丑纪范. 基于延伸期可预报性的集合预报方法和数值试验. 物理学报, 2012, 61(19): 199203. doi: 10.7498/aps.61.199203
    [20] 封国林, 董文杰. 集合预报物理基础的探讨. 物理学报, 2003, 52(9): 2347-2353. doi: 10.7498/aps.52.2347
计量
  • 文章访问数:  5302
  • PDF下载量:  92
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-07
  • 修回日期:  2021-12-30
  • 上网日期:  2022-01-26
  • 刊出日期:  2022-04-20

/

返回文章
返回