[發(fā)明專利]一種同化行星尺度和機(jī)器學(xué)習(xí)外強(qiáng)迫的氣候模式預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110244019.0
• 申請(qǐng)日: 2021-03-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112819254B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王澄海;張飛民;楊毅;王灝;楊凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 主分類號(hào): G06Q10/04
• 分類號(hào): G06Q10/04;G06F30/27;G06F17/18;G06F119/08
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 曹向東

本發(fā)明涉及一種同化行星尺度和機(jī)器學(xué)習(xí)外強(qiáng)迫的氣候模式預(yù)測(cè)方法，該模式包括以下步驟：⑴分離出背景場(chǎng)中1~3波的信息；⑵利用流依賴的同化技術(shù)，形成模式的初始條件；⑶采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，形成氣候模式的海溫外強(qiáng)迫場(chǎng)；⑷采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建模，形成氣候模式的陸地外強(qiáng)迫場(chǎng)；⑸利用觀測(cè)和再分析資料，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)冰凍圈緩變信號(hào)進(jìn)行建模，得到冰凍圈信號(hào)的跨季節(jié)外推預(yù)測(cè)值，該預(yù)測(cè)值作為模式外源強(qiáng)迫項(xiàng)；⑹形成大氣邊界場(chǎng)；⑺進(jìn)行季節(jié)氣候預(yù)測(cè)；⑻進(jìn)行檢驗(yàn)訂正，得到修訂值；⑼將非線性信息和線性變化信息二者疊加作為一個(gè)預(yù)測(cè)值；⑽將修訂值和預(yù)測(cè)值按照歷史擬和率進(jìn)行集合，即得最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。本發(fā)明可有效地改進(jìn)氣候預(yù)測(cè)結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣候預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同化行星尺度和機(jī)器學(xué)習(xí)外強(qiáng)迫的氣候模式預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

跨季節(jié)氣候預(yù)測(cè)是指預(yù)測(cè)時(shí)段在2周到1個(gè)季節(jié)的氣候預(yù)測(cè)。以歐洲共同體和美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，在短-中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域取得了令人矚目的成績(jī)，目前，歐洲的1~5天的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)取得了令人滿意的結(jié)果，并在業(yè)務(wù)中廣泛使用。但10天以上的氣候預(yù)報(bào)結(jié)果則不能令人滿意，如圖1所示，尤其15~30天和月季尺度的氣候預(yù)測(cè)則處于探索階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，而且尚不能業(yè)務(wù)化。因此，跨季節(jié)氣候預(yù)測(cè)是一個(gè)世界性難題，是具有很大挑戰(zhàn)性的前沿科技問(wèn)題。

目前的跨季節(jié)氣候預(yù)測(cè)技術(shù)分為兩類：一類是美國(guó)和歐洲數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心為代表的地球系統(tǒng)模式的研發(fā)和應(yīng)用。但存在3個(gè)方面的限制：一是外強(qiáng)迫分量模式的不確定太大，大多數(shù)分量模式處于研發(fā)階段，這是由于作為外強(qiáng)迫的冰蓋、海冰、海洋過(guò)程的了解并不深入，許多參數(shù)化過(guò)程不完善，甚至是錯(cuò)誤的；二是外強(qiáng)迫量的變化尺度不一致，在地球系統(tǒng)模式中只有進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度的積分才能體現(xiàn)出來(lái)，而有些過(guò)程的總體變化遠(yuǎn)大于1個(gè)月到一個(gè)季度，因此，季節(jié)內(nèi)的變化雖小但對(duì)氣候有影響，卻很難刻畫出來(lái)；三是大氣本身的信號(hào)最長(zhǎng)只能持續(xù)兩周，兩周以上大氣信號(hào)一杯氣候飄移所掩蓋。另一類是是統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法，是指利用前期的統(tǒng)計(jì)得到的“信號(hào)”，一般含有大氣外強(qiáng)迫，也含有大氣自身的信息，這種方法的擬合率高，但預(yù)測(cè)水平較低，目前已非主流，主要使用在缺少主流方法（第一類）條件的機(jī)構(gòu)。

我國(guó)以模式為核心的技術(shù)處于起步階段，目前主要是采用單一的氣候（或地球系統(tǒng)模式）同化現(xiàn)有觀測(cè)資料的方法，并以統(tǒng)計(jì)方法為主，該方法為線性，使用的外強(qiáng)迫“信號(hào)”是太平洋海溫（海氣相互作用的信號(hào)-ENSO）和作為一個(gè)整體來(lái)考慮的青藏高原積雪，當(dāng)二者變化在正常范圍內(nèi)，則預(yù)測(cè)技術(shù)不具備可預(yù)報(bào)性。也有部分氣候模式的結(jié)果，但不作為主要的預(yù)測(cè)依據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，屬于人工智能核心，是一種利用概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、逼近論、凸分析、算法復(fù)雜度理論等，模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，從資料中獲取新的知識(shí)和模型，并進(jìn)行外推預(yù)測(cè)的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外目前已開(kāi)展了類似的工作，但是，學(xué)習(xí)的內(nèi)容僅限于海洋溫度場(chǎng)的構(gòu)建，學(xué)習(xí)的信號(hào)則來(lái)自于海表溫度和大氣場(chǎng)；進(jìn)入模式的途徑也是直接作為模式的下邊界條件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種有效地改進(jìn)氣候預(yù)測(cè)結(jié)果的同化行星尺度和機(jī)器學(xué)習(xí)外強(qiáng)迫的氣候模式預(yù)測(cè)方法。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所述的一種同化行星尺度和機(jī)器學(xué)習(xí)外強(qiáng)迫的氣候模式預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

⑴根據(jù)氣候特征時(shí)間尺度和大氣環(huán)流演變之間的關(guān)系，對(duì)大尺度背景場(chǎng)進(jìn)行尺度分析，分離出背景場(chǎng)中1~3波的信息；

⑵利用流依賴的同化技術(shù)，將所述1~3波的信息同化進(jìn)入大氣模式，形成模式的初始條件；

⑶采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，結(jié)合觀測(cè)進(jìn)而再分析資料，通過(guò)考慮海洋熱量和鹽分的傳導(dǎo)速度，選擇不同深度的海溫，對(duì)海表溫度進(jìn)行建模，并逐周（7天）進(jìn)行1~3個(gè)季節(jié)的預(yù)報(bào)，形成氣候模式的海溫外強(qiáng)迫場(chǎng)；

⑷利用土壤溫、濕度觀測(cè)和再分析資料，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建模，通過(guò)考慮土壤水分和熱量傳導(dǎo)速度，獲得未來(lái)1~2個(gè)季節(jié)底下2?m深度內(nèi)逐層的土壤溫、濕度資料，形成氣候模式的陸地外強(qiáng)迫場(chǎng)；