[發(fā)明專利]基于物理學(xué)結(jié)合殘差注意力網(wǎng)絡(luò)的行星邊界層參數(shù)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210819294.5
• 申請日: 2022-07-13
• 公開（公告）號: CN114896826B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李孝杰;張麗輝;吳錫;黃小猛;俞永強;呂建成;周激流
• 申請（專利權(quán)）人: 成都信息工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06N3/04;G06N3/08;G06F111/10
• 代理公司: 成都智涌知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51313
• 代理人: 蔡福林

本發(fā)明涉及一種基于物理學(xué)結(jié)合殘差注意力網(wǎng)絡(luò)的行星邊界層參數(shù)化方法，設(shè)計一種同時結(jié)合物理學(xué)和深度學(xué)習(xí)的殘差注意力網(wǎng)絡(luò)，包括依次連接的八個時空結(jié)合模塊，每個時空結(jié)合模塊包括通道注意力模塊CAB和空間注意力模塊PNSAB，通過卷積、CAB模塊和PNSAB模塊提取重要特征和模擬具體的物理過程，CAB模塊用來模擬大氣湍流過程中的能量交換，讓網(wǎng)絡(luò)不斷地學(xué)習(xí)大氣物理常識，PNSAB模塊去挑選對于預(yù)測結(jié)果比較重要的氣象要素，能夠有效的替換傳統(tǒng)模式中的參數(shù)化，設(shè)計的多個模塊協(xié)同作用模擬邊界層中的物理過程。本發(fā)明的模型能更好地模擬邊界層內(nèi)的速度、溫度、風(fēng)速和水汽的垂直分布，同時使用較低的計算成本和較短的時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣象預(yù)報數(shù)值計算領(lǐng)域，尤其涉及一種基于物理學(xué)結(jié)合殘差注意力網(wǎng)絡(luò)的行星邊界層參數(shù)化方法。

背景技術(shù)

太陽輻射是大氣運動的主要動力來源，下墊面吸收太陽輻射后，下墊面與自由大氣之間的熱量交換主要通過邊界層的湍流熱量輸送完成。邊界層內(nèi)的物質(zhì)和水汽輸送對云和降水的形成，污染物的擴散以及大氣化學(xué)變化都有著非常重要的作用。因此，在數(shù)值模式中對邊界層內(nèi)的物理過程的合理描述是十分必要的。但由于模式本身的垂直和水平分辨率限制和邊界層內(nèi)湍流運動復(fù)雜性，邊界層內(nèi)的一些物理過程不能被模式中的動力框架描述，因此，需要將這些物理過程參數(shù)化。

數(shù)值模式中，邊界層參數(shù)化主要解決的就是垂直湍流通量項的閉合問題。它通過方程組的形式來表示這些物理過程。表示這些物理過程也有不同的參數(shù)化方案。因此，不同的參數(shù)化方案模擬的不同方案模擬得出的邊界層結(jié)構(gòu)特征存在很大差異。通過實驗證明，非局地BLK方案能更好的模擬出溫度和地面風(fēng)速，非局地YSU，ACM2方案模擬得出的白天邊界層混合強、夾卷也強，從而模擬出了較高溫度和較低的濕度，局地MYJ方案則由于混合和夾卷較弱，模擬得出的溫度偏低、濕度偏高。在夜間YSU的混合作用要強于ACM2和MYJ方案，模擬出的溫度偏高、濕度偏低。總的來說，非局地YSU,ACM2方案要好于局地MYJ方案。非局地BLK方案被用在MM5模式中用來模擬地區(qū)的氣候狀況。而YSU，ACM2和MYJ被用在WRF模式中用來各地區(qū)的模擬中。因此，目前常用的方法就是使用WRF模式去模擬各地區(qū)的情況，但是不同的邊界層參數(shù)化在不同的地區(qū)的模擬性能有很大的差異。此外,WRF模式是不斷發(fā)展和更新的中尺度模式，幾乎每個版本都會有新的邊界層參數(shù)化。

目前，對于強對流天氣預(yù)報，深度學(xué)習(xí)與各類氣象大數(shù)據(jù)有效結(jié)合，成為一種有效工具。例如，基于MSG衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)增強可見光和紅外成像儀（SEVIRI）檢測到的云頂高度、云頂溫度等因素，有學(xué)者采用隨機森林，或采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM兩種機器學(xué)習(xí)算法進行定量降水估計。基于上述研究，也有許多人使用物理學(xué)知識指導(dǎo)替代邊界層參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這也奠定了本發(fā)明的研究基礎(chǔ)。

現(xiàn)有技術(shù)方案存在的不足：

1、計算資源限制

目前的全球和區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式業(yè)務(wù)應(yīng)用而言，由于計算資源的限制，短期內(nèi)在業(yè)務(wù)中使用百米級尺度分辨率的大渦模擬方法還很難實現(xiàn)。時間限制邊界層參數(shù)化在模式中以方程組的形式來表現(xiàn)得，所以在模擬時需要花費大量的時間，這樣可能會錯過重大氣候變化。

2、不穩(wěn)定性

由于模式預(yù)報對于不同物理參數(shù)化方案的敏感性不同，因此沒有一個統(tǒng)一的參數(shù)化方案，所以需要根據(jù)實時情況來選擇不同的參數(shù)化方案，這無疑是不合理的。

3、分辨率限制

隨著大家對氣候預(yù)測的要求越來越高，分辨率也相應(yīng)的提高。但是，目前的數(shù)值模式已經(jīng)不能滿足氣象預(yù)報的需要，所以需要新的方法來實現(xiàn)氣候的預(yù)測。

4、物理過程問題

盡管現(xiàn)在已經(jīng)有使用機器學(xué)習(xí)的方法來替代具體的參數(shù)化，但是他們沒有全面的考慮邊界層中存在的物理過程，因此達到的精度不夠。

發(fā)明內(nèi)容