基于ConvLSTM的改進(jìn)雷達(dá)回波外推方法研究

趙玉娟，李宗飛，陳凱華，王 彥，朱男男，李祥海，姜罕盛

(1.天津市氣象信息中心，天津 300074；2.天津市人工影響天氣辦公室，天津 300074；3.天津海洋中心氣象臺(tái)，天津 300074)

0 引言

臨近預(yù)報(bào)通常指未來(lái)0～2 h的天氣預(yù)報(bào)。強(qiáng)對(duì)流天氣包括雷雨大風(fēng)、冰雹等天氣，因其歷時(shí)短、破壞性強(qiáng)、演變規(guī)律復(fù)雜，是臨近預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。海洋強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)在海洋氣象災(zāi)害防御中具有重要地位。海上大風(fēng)及其引發(fā)的次生災(zāi)害是導(dǎo)致海洋氣象災(zāi)害的主要因素。為了提升海上大風(fēng)等海上強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)能力，氣象工作者持續(xù)在開(kāi)展大風(fēng)天氣特征及預(yù)報(bào)方法等方面的探索。多普勒天氣雷達(dá)是氣象部門用于大氣監(jiān)測(cè)的重要設(shè)備，能夠提供高時(shí)空分辨率的精細(xì)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，在災(zāi)害性、突發(fā)性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中是極為重要的參考指標(biāo)，因此，許多學(xué)者開(kāi)展了分析雷達(dá)回波在雷暴大風(fēng)天氣條件下特征的研究，為相關(guān)領(lǐng)域天氣預(yù)報(bào)能力提升提供支撐。王彥等[1]利用天津地區(qū)46次雷暴大風(fēng)過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析了雷達(dá)回波在雷暴大風(fēng)天氣過(guò)程下的特征，得出了影響渤海西部的雷暴大風(fēng)在雷達(dá)回波形態(tài)方面有弓狀、帶狀、陣風(fēng)鋒等四種類型，弓狀回波對(duì)應(yīng)的雷暴大風(fēng)天氣最強(qiáng)烈等結(jié)論；郭慶利等[2]通過(guò)對(duì)煙臺(tái)北部沿海5年的雷雨大風(fēng)天氣個(gè)例分析，得到了渤海海峽雷雨大風(fēng)天氣下雷達(dá)反射率因子的回波強(qiáng)度多在45 dbz以上，形狀大致分帶狀、弓形等5類的結(jié)論。郭鴻鳴等[3]綜合運(yùn)用6部天氣雷達(dá)拼圖、WRF模式物理場(chǎng)等資料分析了強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)入海前后的時(shí)空變化規(guī)律。王亞南等[4]利用海島、平臺(tái)、浮標(biāo)等站點(diǎn)加密觀測(cè)資料，分析了渤海西部雷雨大風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特征。陳明軒等[5]、俞小鼎等[6]、程叢蘭[7]等則論述了強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)方法。

雷達(dá)回波外推結(jié)果是臨近預(yù)報(bào)主要參考數(shù)據(jù)之一。如何快速、準(zhǔn)確地生成雷達(dá)回波預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是近年來(lái)氣象領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)雷達(dá)外推方法包括交叉相關(guān)法(COTREC)[8]、光流法等[9-10]。交叉相關(guān)法和光流法均是假定雷達(dá)反射率因子的運(yùn)動(dòng)符合拉格朗日守恒規(guī)律，在穩(wěn)定性降水預(yù)報(bào)中效果較好[11]，但對(duì)于局地強(qiáng)對(duì)流天氣，因雷達(dá)回波演變快，不滿足守恒條件，預(yù)報(bào)效果則會(huì)隨著時(shí)間快速下降[12-13]。

探索雷達(dá)回波外推新方法，高效、準(zhǔn)確地生成雷達(dá)回波預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)提升海上強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)和服務(wù)能力具有重要意義。深度學(xué)習(xí)算法可自動(dòng)學(xué)習(xí)海量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含規(guī)律，且無(wú)需較多先驗(yàn)知識(shí)，因此在氣象領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，諸多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)方法在短臨天氣預(yù)報(bào)方面研究。郭尚瓚等[14]開(kāi)展了多層感知器在短時(shí)降雨預(yù)測(cè)方面的探索。Shi等[15]利用帶卷積的長(zhǎng)短時(shí)記憶單元構(gòu)建RNN，將其在雷達(dá)外推預(yù)報(bào)方面應(yīng)用取得了較好效果。施恩[16]提出了基于輸入的動(dòng)態(tài)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，卷積核含有當(dāng)前輸入的特征，網(wǎng)絡(luò)模型測(cè)試期間還可基于輸入圖像變化，輸入、輸出圖像的強(qiáng)相關(guān)性得到保證，利用南京、杭州、廈門三地雷達(dá)CAPPI圖像數(shù)據(jù)作為樣本試驗(yàn)的結(jié)果表明，所提方法較傳統(tǒng)雷達(dá)回波外推方法，預(yù)測(cè)圖像準(zhǔn)確率和外推時(shí)效均有所提高。郭瀚陽(yáng)[17]等借助基于自編碼的卷積GRU網(wǎng)絡(luò)，利用雷達(dá)拼圖數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到了可利用歷史0.5 h數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)1 h回波的雷達(dá)回波外推模型。試驗(yàn)結(jié)果證明其所提方法在預(yù)測(cè)精度上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。黃興友[18]等采用Causal-LSTM單元構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波外推，并使用帶權(quán)重的損失函數(shù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，測(cè)試集及個(gè)例檢驗(yàn)表明其構(gòu)建的模型在強(qiáng)回波預(yù)報(bào)方面優(yōu)于光流法。

目前基于深度學(xué)習(xí)的雷達(dá)回波外推研究多面向降水預(yù)報(bào)，針對(duì)海上大風(fēng)天氣的研究較少。本研究面向海上大風(fēng)臨近預(yù)報(bào)需求選取雷達(dá)數(shù)據(jù)，并從輸入數(shù)據(jù)格式、損失函數(shù)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了基于自編碼的ConvLSTM網(wǎng)絡(luò)，利用滄州雷達(dá)站4年的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，得到了雷達(dá)回波外推模型，可利用近1 h雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)1 h雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)。測(cè)試集及典型天氣個(gè)例對(duì)模型預(yù)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果表明，改進(jìn)后模型較傳統(tǒng)ConvLSTM模型在強(qiáng)回波預(yù)測(cè)方面效果更好。

1 方法

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本研究擬通過(guò)學(xué)習(xí)歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)空變化規(guī)律，預(yù)測(cè)未來(lái)雷達(dá)回波序列，屬于時(shí)間序列預(yù)測(cè)問(wèn)題，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用較多。不同于一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)互相獨(dú)立，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各隱藏層節(jié)點(diǎn)不僅依賴當(dāng)前輸入，還依賴前一時(shí)刻中間狀態(tài)，處理新數(shù)據(jù)時(shí)，也可記憶歷史計(jì)算結(jié)果。卷積長(zhǎng)短時(shí)記憶單元ConvLSTM是應(yīng)用較廣的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，通過(guò)輸入門、遺忘門及輸出門實(shí)現(xiàn)信息流動(dòng)控制，可防止有價(jià)值信息因?yàn)轭A(yù)測(cè)序列長(zhǎng)度的增大而被丟，還能選擇性地實(shí)現(xiàn)“更新”和“遺忘”。ConvLSTM工作原理如式(1)～(5)所示，it表示輸入門，ft表示遺忘門，ot表示輸出門，算子(o)表示矩陣對(duì)應(yīng)元素相乘，“*”表示卷積操作，“σ”表示Sigmoid函數(shù)，Wx-，Wh-是二維卷積核，輸入X1，…，Xt和單元狀態(tài)C1，…，Ct，隱藏狀態(tài)H1，…，Ht及it、ft、ot均為3維張量。

it=σ(Wxi*Xt+Whi*Ht-1+WciοCt-1+bi)

(1)

ft=σ(Wxf*Xt+Whf*Ht-1+WcfοCt-1+bf)

(2)

Ot=σ(Wxo*Xt+Who*Ht-1+WcoοCt+bo)

(3)

Ct=ftοCt-1+itοtanh(Wxc*Xt+Whc*Ht-1+bc)

(4)

Ht=Otοtanh(Ct)

(5)

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還能作為基本單元構(gòu)建更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。本研究借鑒了郭瀚陽(yáng)等[17]研究思路，亦采用自編碼模型構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，不同之處在于本文采用基于自編碼的ConvLSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雷達(dá)回波序列預(yù)測(cè)，通過(guò)多層堆疊ConvLSTM，增強(qiáng)模型學(xué)習(xí)能力。自編碼模型包含編碼、解碼兩階段。編碼階段先用最后輸入的隱藏層狀態(tài)代表所有輸入序列信息，再將編碼最后一步隱藏層狀態(tài)用于初始化解碼階段隱藏層的狀態(tài)。解碼階段先用編碼輸入的最后一幀作為第一個(gè)輸入得到第一個(gè)預(yù)測(cè)輸出，再用第一個(gè)預(yù)測(cè)輸出作為輸入得到第二個(gè)預(yù)測(cè)輸出，持續(xù)迭代此過(guò)程得到所有預(yù)測(cè)輸出，該方法具備可產(chǎn)生變長(zhǎng)預(yù)測(cè)序列的優(yōu)勢(shì)。本研究的編碼和解碼階段均采用三層堆疊ConvLSTM來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)特征。

1.2 損失函數(shù)改進(jìn)

不同天氣狀況下，雷達(dá)反射率因子強(qiáng)度具有明顯差異。天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)觀測(cè)到的回波強(qiáng)度是判斷強(qiáng)對(duì)流天氣的重要參考數(shù)據(jù)。預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和已有對(duì)海上強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)天氣的雷達(dá)回波特征分析研究表明，雷達(dá)反射率因子包含較多強(qiáng)回波情況下，發(fā)生海上強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)天氣的概率相對(duì)更高[19-22]，王福俠等[21]利用天氣雷達(dá)和自動(dòng)站資料研究統(tǒng)計(jì)2006～2008年河北省中南部地區(qū)28次雷暴大風(fēng)過(guò)程中出現(xiàn)地面大風(fēng)的262個(gè)觀測(cè)站上空的雷達(dá)回波特征發(fā)現(xiàn)，一般雷暴大風(fēng)的反射率因子都在50 dbz以上，但干對(duì)流雷暴大風(fēng)的反射率因子一般只有40 dbz左右。強(qiáng)回波預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否對(duì)預(yù)報(bào)效果影響更大，提高強(qiáng)回波預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率是提升預(yù)報(bào)效果的關(guān)鍵。

ConvLSTM模型常規(guī)采用的是均方差損失函數(shù)MSE，均方差損失函數(shù)先計(jì)算真實(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)誤差平方的總和，再計(jì)算其均值，對(duì)于不同大小的真實(shí)值權(quán)重一樣，對(duì)于雷達(dá)回波數(shù)據(jù)則表現(xiàn)為對(duì)不同強(qiáng)度回波的權(quán)重一樣。對(duì)于雷達(dá)回波預(yù)測(cè)應(yīng)用而言，希望較大的回波值能夠具有更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，為提升強(qiáng)回波預(yù)測(cè)能力，本文改進(jìn)了損失函數(shù)，將損失函數(shù)構(gòu)造為原始MSE損失函數(shù)和加權(quán)重的MSE函數(shù)兩部分的組合，兩部分的系數(shù)各為0.5，對(duì)于加權(quán)重的MSE損失函數(shù)，在利用均方差損失函數(shù)計(jì)算真實(shí)值與預(yù)測(cè)值差值基礎(chǔ)上增加回波真實(shí)值作為權(quán)重，強(qiáng)回波的值較大權(quán)重會(huì)更高，弱回波值較小則權(quán)重會(huì)更低，從而實(shí)現(xiàn)提升強(qiáng)回波預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的目標(biāo)。改進(jìn)后損失函數(shù)如式(6)所示，其中pred代表預(yù)測(cè)值集合，label代表實(shí)際觀測(cè)值集合，N代表系數(shù)，改進(jìn)后損失函數(shù)在label值較大即觀測(cè)值為強(qiáng)回波時(shí)將產(chǎn)生更大影響，lossfunction為MSE函數(shù)，計(jì)算公式如式(7)所示，其中yi代表實(shí)際觀測(cè)值集合label中的第i個(gè)真實(shí)觀測(cè)值，yip代表第i個(gè)觀測(cè)值在預(yù)測(cè)值集合pred中對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)值?；诠?6)、(7)可推導(dǎo)得出公式(8)，由公式(8)可見(jiàn)，改進(jìn)后的損失函數(shù)增加了N2yi2作為真實(shí)值與預(yù)測(cè)值差值的權(quán)重系數(shù)，當(dāng)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值存在差異且真實(shí)觀測(cè)值較大時(shí)，改進(jìn)后損失函數(shù)計(jì)算得出的數(shù)值較改進(jìn)前更大，因此能夠?qū)崿F(xiàn)增大強(qiáng)回波權(quán)重，提升強(qiáng)回波預(yù)測(cè)效果的目的。

loss=0.5*lossfunction(pred，label)+

0.5*lossfunction(N*label*label，N*pred*label)

(6)

(7)

(8)

1.3 輸入數(shù)據(jù)改進(jìn)

氣象部門長(zhǎng)期存儲(chǔ)的主要是二進(jìn)制格式的雷達(dá)基數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，已有研究多采用基數(shù)據(jù)生成圖像文件方式作為輸入數(shù)據(jù)，而單個(gè)圖像文件僅能保存1個(gè)仰角的觀測(cè)數(shù)據(jù)。天氣雷達(dá)是對(duì)一定空間范圍內(nèi)降水回波的觀測(cè)，一個(gè)體掃包含多個(gè)仰角觀測(cè)數(shù)據(jù)。大氣流體運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程是在三維空間中進(jìn)行，每個(gè)高度層均與其附近高度層有較強(qiáng)相關(guān)性[23]。在每個(gè)時(shí)刻輸入相鄰多個(gè)仰角觀測(cè)數(shù)據(jù)有助于解決單層雷達(dá)回波圖像外推局限性。數(shù)組是在程序設(shè)計(jì)中，為了處理方便，把具有相同數(shù)據(jù)類型的若干元素按有序的形式組織起來(lái)的一種數(shù)據(jù)組織方式，是用于儲(chǔ)存多個(gè)相同類型數(shù)據(jù)的集合。每個(gè)觀測(cè)時(shí)次，天氣雷達(dá)單個(gè)仰角對(duì)一定空間范圍的觀測(cè)數(shù)據(jù)可抽象為二維數(shù)組，多個(gè)仰角的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)可抽象為三維數(shù)組，npy文件是Python語(yǔ)言針對(duì)多維數(shù)組(Ndarray)的科學(xué)計(jì)算庫(kù)NumPy專用的二進(jìn)制文件格式，能夠保存任意維度的NumPy數(shù)組，可滿足存儲(chǔ)多仰角雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的需求，而且NumPy庫(kù)提供了save、load函數(shù)為便捷地將數(shù)組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到npy文件和從npy文件讀取數(shù)組內(nèi)容提供了有力支撐，因此，本文對(duì)深度學(xué)習(xí)模型的雷達(dá)輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式進(jìn)行改進(jìn)，將同一個(gè)觀測(cè)時(shí)次多個(gè)仰角的雷達(dá)反射率觀測(cè)數(shù)據(jù)定義為(n，x，y)形式的三維數(shù)組進(jìn)行存儲(chǔ)，n代表觀測(cè)仰角個(gè)數(shù)，x代表經(jīng)度方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，y代表緯度方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，并利用numpy庫(kù)的save函數(shù)將其存儲(chǔ)在同一個(gè)npy文件中，N個(gè)觀測(cè)時(shí)次的觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為N個(gè)npy文件存儲(chǔ)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)多仰角輸入數(shù)據(jù)訓(xùn)練打下基礎(chǔ)，實(shí)際訓(xùn)練時(shí)可按需靈活提取npy文件中的1個(gè)或多仰角的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練。

2 數(shù)據(jù)集構(gòu)建

深度學(xué)習(xí)雷達(dá)數(shù)據(jù)集構(gòu)建主要包括雷達(dá)數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)預(yù)處理、深度學(xué)習(xí)樣本組構(gòu)造三個(gè)步驟，流程如圖1所示。

圖1 雷達(dá)數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集構(gòu)建流程

2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)篩選

雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)段選取強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)發(fā)生較多的5～9月。首先使用渤海西部有代表性的地面自動(dòng)氣象站、海上平臺(tái)站逐小時(shí)觀測(cè)資料，根據(jù)王亞男等[4]提出的指標(biāo)選取強(qiáng)對(duì)流天氣導(dǎo)致的雷暴大風(fēng)過(guò)程，然后依據(jù)大風(fēng)過(guò)程日期挑選雷達(dá)數(shù)據(jù)。強(qiáng)對(duì)流天氣導(dǎo)致雷暴大風(fēng)過(guò)程選取標(biāo)準(zhǔn)如下：

代表站瞬時(shí)風(fēng)速(或最大風(fēng)速)≥17 m/s，相應(yīng)海域出現(xiàn)雷電天氣(為消除系統(tǒng)性大風(fēng)過(guò)程，對(duì)于瞬時(shí)風(fēng)速(或最大風(fēng)速)≥17 m/s且持續(xù)時(shí)間大于3小時(shí)的過(guò)程予以去除)。當(dāng)多個(gè)觀測(cè)站在不超過(guò)12小時(shí)范圍內(nèi)先后監(jiān)測(cè)到雷雨大風(fēng)并受同一天氣系統(tǒng)影響時(shí)，記為一次過(guò)程。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

雷達(dá)基數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)解碼、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟。CINRAD-SA型多普勒天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件為二進(jìn)制格式，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用極坐標(biāo)系，存儲(chǔ)內(nèi)容包括反射率、速度、譜寬等。數(shù)據(jù)解碼步驟負(fù)責(zé)按照雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式，完成雷達(dá)觀測(cè)描述信息和反射率觀測(cè)數(shù)據(jù)的提取并按不同信息的數(shù)據(jù)類型完成格式轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟首先建立極坐標(biāo)和經(jīng)緯度坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后將以極坐標(biāo)形式存儲(chǔ)的反射率等數(shù)據(jù)，投影到經(jīng)緯度坐標(biāo)系，得到反射率數(shù)據(jù)的格點(diǎn)矩陣。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟中建立極坐標(biāo)和經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系的過(guò)程如下：雷達(dá)觀測(cè)徑向剖面圖如圖2所示，∠φ代表雷達(dá)觀測(cè)仰角，d代表雷達(dá)站點(diǎn)與觀測(cè)位置的徑向距離。建立以地球中心為原點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)系，雷達(dá)站點(diǎn)r的坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，雷達(dá)觀測(cè)任意點(diǎn)位置為p，其在地球表面投影為p’(x2，y2，z2)，Δlon，Δlat為投影點(diǎn)與雷達(dá)站點(diǎn)的經(jīng)緯度差，觀測(cè)點(diǎn)p在地球表面投影p’坐標(biāo)利用式(9)計(jì)算得到。通過(guò)式(10)，計(jì)算得到任意p’位置(lon，lat)的極坐標(biāo)值(∠A，∠φ，d)，其中∠A，d通過(guò)計(jì)算得到，∠φ為已知值，∠A代表雷達(dá)觀測(cè)方位角。

圖2 雷達(dá)觀測(cè)徑向剖面圖

(9)

(10)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后單個(gè)仰角的觀測(cè)數(shù)據(jù)為400*400的格點(diǎn)矩陣，直接用于訓(xùn)練計(jì)算開(kāi)銷較大，為提高處理效率，本研究對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽樣處理，提取以雷達(dá)站點(diǎn)為中心±2度經(jīng)緯度范圍的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，抽樣處理后單個(gè)仰角觀測(cè)數(shù)據(jù)的格點(diǎn)分辨率為100*100，數(shù)據(jù)量降低為抽樣前的1/16。

在特定環(huán)境下，雷達(dá)觀測(cè)受地物雜波、晴空回波等諸多因素影響，將產(chǎn)生非降水回波干擾。地物雜波已在雷達(dá)RPG中進(jìn)行了處理，為進(jìn)一步去除無(wú)效回波干擾，質(zhì)量控制方面，本研究主要通過(guò)去除10 dbz以下晴空回波以保障模型訓(xùn)練效果。

2.3 深度學(xué)習(xí)樣本組構(gòu)造

雷達(dá)數(shù)據(jù)因觀測(cè)設(shè)備故障、維護(hù)等原因存在缺測(cè)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在時(shí)間間隔不等的問(wèn)題，為去除時(shí)間不連續(xù)數(shù)據(jù)，按以下步驟構(gòu)造觀測(cè)數(shù)據(jù)文件時(shí)間間隔相同的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集：

1)針對(duì)預(yù)處理得到的文件生成其文件名、觀測(cè)時(shí)間索引信息。

2)利用索引信息，按照時(shí)間連續(xù)原則，篩選構(gòu)造深度學(xué)習(xí)樣本組。對(duì)符合時(shí)間連續(xù)性檢查的數(shù)據(jù)文件使用長(zhǎng)度為20的滑動(dòng)窗口以步長(zhǎng)為1進(jìn)行滑動(dòng)采樣，得到所有樣本組。每組樣本包含20個(gè)觀測(cè)時(shí)間連續(xù)的雷達(dá)數(shù)據(jù)文件{x1，x2，x3，…，x10，y1，y2，y3，…，y10}，x1到x10為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)近一小時(shí)10個(gè)觀測(cè)時(shí)間的雷達(dá)回波，y1到y(tǒng)10為輸出數(shù)據(jù)，代表下一小時(shí)10個(gè)觀測(cè)時(shí)間的雷達(dá)回波，每個(gè)文件時(shí)間間隔為6 min。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法有效性，利用Pytorch實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)模型，按照本研究方法，基于滄州雷達(dá)站2016～2019年5～9月觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)軟件構(gòu)建了雷達(dá)數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建的訓(xùn)練集包含10 640個(gè)樣本，測(cè)試集包含2 000個(gè)樣本。激活函數(shù)是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的重要組成部分，旨在使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能更好地?cái)M合數(shù)據(jù)分布，輸出更準(zhǔn)確的結(jié)果，其選擇對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能、模型收斂速度有很大影響，本研究激活函數(shù)使用LeakyReLU.LeakyReLU是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用激活函數(shù)ReLU的變體。對(duì)于ReLU函數(shù)，當(dāng)輸入x>0時(shí)，輸出為x，當(dāng)輸入x≤0時(shí)，輸出始終為0，導(dǎo)致神經(jīng)元不能更新。為了解決ReLU函數(shù)這一問(wèn)題，在ReLU函數(shù)的負(fù)半?yún)^(qū)引入一個(gè)非常小的常數(shù)leak，即當(dāng)x≤0時(shí)，輸出為leak*x，使得輸入信息小于0時(shí)，信息沒(méi)有被完全丟掉，仍有很小的梯度。由于導(dǎo)數(shù)總是不為零，能減少靜默神經(jīng)元的出現(xiàn)，允許基于梯度的學(xué)習(xí)，解決了ReLU函數(shù)進(jìn)入負(fù)區(qū)間后，導(dǎo)致神經(jīng)元不學(xué)習(xí)的問(wèn)題。訓(xùn)練過(guò)程采用反向傳播算法計(jì)算誤差，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)利用Adam算法更新，Adam算法本質(zhì)上是帶有動(dòng)量項(xiàng)的RMSprop，它利用梯度的一階矩估計(jì)和二階矩估計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)參數(shù)的學(xué)習(xí)率，該算法的優(yōu)點(diǎn)主要在于經(jīng)過(guò)偏置校正后，每一次迭代學(xué)習(xí)率都有確定的范圍，參數(shù)比較平穩(wěn)，對(duì)內(nèi)存需求少，適用于大數(shù)據(jù)集和高維空間。學(xué)習(xí)率參數(shù)的設(shè)置很重要，學(xué)習(xí)率取值過(guò)小會(huì)使網(wǎng)絡(luò)收斂緩慢，過(guò)大則又會(huì)使訓(xùn)練易陷入局部最優(yōu)解。本研究通過(guò)引入動(dòng)量項(xiàng)加快網(wǎng)絡(luò)收斂速度，減少震蕩，使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練不易陷入局部最優(yōu)解。損失函數(shù)采用原始MSE函數(shù)和帶權(quán)重的MSE函數(shù)組合的方式，詳見(jiàn)1.2節(jié)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)比了N設(shè)置為2、3、4情況下和輸入數(shù)據(jù)為1個(gè)仰角、2個(gè)仰角時(shí)的模型預(yù)測(cè)效果，對(duì)比結(jié)果表明輸入為1個(gè)仰角、N=2時(shí)預(yù)測(cè)效果最優(yōu)，最終選定的損失函數(shù)參見(jiàn)式(11)。其他訓(xùn)練參數(shù)如表1所示，初始學(xué)習(xí)率采用0.000 1，模型的訓(xùn)練采用批訓(xùn)練方式，batch_size設(shè)置為20。訓(xùn)練采用早停策略(Early Stop)方式停止以避免過(guò)擬合。最大迭代次數(shù)設(shè)置為400次，當(dāng)10次循環(huán)迭代后訓(xùn)練集精度提高不超過(guò)0.000 1，則訓(xùn)練結(jié)束。訓(xùn)練完成后，模型能夠根據(jù)雷達(dá)近1小時(shí)10個(gè)觀測(cè)時(shí)次的回波數(shù)據(jù)作為輸入，預(yù)測(cè)出未來(lái)1小時(shí)10個(gè)時(shí)次的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

表1 雷達(dá)數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練參數(shù)

loss=0.5*lossfunction(pred，label)+

0.5*lossfunction(2*label*label，2*pred*label)

(11)

3.1 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用分閾值評(píng)估方式對(duì)測(cè)試集進(jìn)行檢驗(yàn)，閾值分別選取15、20、30、40 dbz，預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)包括0.5 h和1 h，預(yù)報(bào)時(shí)間間隔為6 min，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用氣象領(lǐng)域常用指標(biāo)臨界成功指數(shù)(CSI)、命中率(POD)和虛警率(FAR)。通過(guò)逐點(diǎn)對(duì)比預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值，得出各預(yù)測(cè)點(diǎn)所屬分類(分類標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)表2)，進(jìn)而計(jì)算得出評(píng)估指標(biāo)。a、b、c分別代表預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)命中數(shù)、空?qǐng)?bào)數(shù)和漏報(bào)數(shù)，評(píng)估指標(biāo)公式如式(12)～(14)：

表2 雷達(dá)回波像素點(diǎn)分類標(biāo)準(zhǔn)

(12)

(13)

(14)

3.2 測(cè)試集檢驗(yàn)

表3對(duì)比了原模型和本文改進(jìn)模型對(duì)于測(cè)試集在15、20、30、40 dBz共4個(gè)反射率閾值0.5 h和1 h的預(yù)測(cè)結(jié)果。由表3可知，本文改進(jìn)模型在4個(gè)閾值的CSI、POD指標(biāo)均明顯優(yōu)于改進(jìn)前，F(xiàn)AR指標(biāo)在閾值較小時(shí)略有增長(zhǎng)，但在閾值較高時(shí)優(yōu)于改進(jìn)前。

表3 模型改進(jìn)前后在測(cè)試集檢驗(yàn)指標(biāo)

POD指標(biāo)方面，閾值為30 dbz及以下時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)較改進(jìn)前分別提高了9%～17%和13%～17%；閾值為40 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)分別提高了8%和2%。CSI指標(biāo)方面，閾值為30 dbz及以下時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)較改進(jìn)前分別提高了4%～12%和7%～10%；閾值為40 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)較改進(jìn)前分別提高了6%和1%。FAR指標(biāo)方面，0.5 h的預(yù)測(cè)較改進(jìn)前略有增長(zhǎng)，1 h的預(yù)測(cè)在30、40 dbz較改進(jìn)前降低。0.5 h的預(yù)測(cè)在閾值為30 dbz及以下時(shí)，較改進(jìn)前增幅不超過(guò)6%，閾值為40 dbz的預(yù)測(cè)和改進(jìn)前相當(dāng)；1 h的預(yù)測(cè)在閾值為20 dbz及以下時(shí)，較改進(jìn)前增幅不超過(guò)4%，在閾值為30、40 dbz時(shí)的預(yù)測(cè)較改進(jìn)前分別降低1%和13%，優(yōu)于改進(jìn)前。

3.3 個(gè)例分析

文獻(xiàn)[21]研究表明，產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的回波主要為弓形回波、帶狀回波和塊狀回波，其中帶狀回波是產(chǎn)生雷暴大風(fēng)的主要回波。為更直觀分析預(yù)測(cè)效果，從測(cè)試集和非測(cè)試集共選取2019年7月29日、2020年05月21日、2022年06月12日3組發(fā)生強(qiáng)對(duì)流大風(fēng)的個(gè)例日期進(jìn)行雷達(dá)回波外推分析，通過(guò)回波圖像和預(yù)測(cè)指標(biāo)兩方面對(duì)比原始ConvLSTM模型和本文改進(jìn)模型未來(lái)1 h雷達(dá)回波預(yù)測(cè)效果，對(duì)比圖形包括四行，每行圖像之間的時(shí)間間隔為6分鐘，第一行為輸入的近1小時(shí)雷達(dá)觀測(cè)真實(shí)回波圖像，第二行為未來(lái)1小時(shí)雷達(dá)實(shí)際觀測(cè)的真實(shí)回波圖像，第三、四行分別為原始ConvLSTM模型和改進(jìn)模型基于第一行真實(shí)雷達(dá)觀測(cè)預(yù)測(cè)的未來(lái)1小時(shí)雷達(dá)回波圖像。

圖3為測(cè)試集2019年07月29日09點(diǎn)06分到10點(diǎn)00分雷達(dá)回波個(gè)例預(yù)測(cè)效果對(duì)比，該個(gè)例是一次強(qiáng)帶狀回波引發(fā)的海上大風(fēng)過(guò)程。帶狀回波通常是由多個(gè)對(duì)流回波單體相連排列成帶狀的回波，回波長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于回波寬度，有強(qiáng)回波時(shí)，傳播方向與回波帶垂直[22]。由圖3可見(jiàn)，未來(lái)1 h的真實(shí)回波圖像中在右下方一直存在一條形態(tài)較為明顯、強(qiáng)度較高的帶狀回波，原始模型的預(yù)測(cè)，尤其在35 min之后的預(yù)測(cè)，對(duì)于帶狀回波的覆蓋區(qū)域、強(qiáng)度方面均與實(shí)況有較大差異，而改進(jìn)后模型預(yù)測(cè)的回波圖像則整體上與觀測(cè)實(shí)況更為相似，而且對(duì)帶狀強(qiáng)回波的預(yù)測(cè)效果有更為明顯的提升，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出右下角帶狀回波形態(tài)、強(qiáng)度和移動(dòng)位置，尤其是后30分鐘的預(yù)測(cè)效果相比原始模型改進(jìn)更為明顯，較改進(jìn)前更完整、清晰地預(yù)測(cè)了強(qiáng)回波形態(tài)、強(qiáng)度。該個(gè)例在閾值為30 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為73%和62%，較改進(jìn)前分別提升29%、32%；閾值為40 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為37%和17%，較改進(jìn)前分別提升36%、17%，虛警率皆低于改進(jìn)前。不過(guò)也應(yīng)注意到，改進(jìn)后模型雖然在回波細(xì)節(jié)預(yù)測(cè)上優(yōu)于改進(jìn)前，但與觀測(cè)實(shí)況仍有一定差距，而且預(yù)測(cè)細(xì)節(jié)與實(shí)際圖像的差異隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的變長(zhǎng)逐漸加大，外推時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)節(jié)丟失也越來(lái)越多。

圖4展示了非測(cè)試集個(gè)例2020年05月21日07點(diǎn)00分到07點(diǎn)54分雷達(dá)回波預(yù)測(cè)效果對(duì)比情況，該個(gè)例是一次小弓形回波引發(fā)的海上大風(fēng)過(guò)程。弓形回波是指快速移動(dòng)的向著運(yùn)動(dòng)方向凸起的，形如弓的強(qiáng)對(duì)流回波。弓形回波的空間尺度大小不一，小的弓形回波長(zhǎng)度僅幾十公里，有的可達(dá)上百公里.弓形回波是由后側(cè)強(qiáng)烈的下沉氣流造成的。顯著弓形回波在低層反射率因子圖上除了形如弓形外，弓形回波前沿存在高的反射率因子梯度，在較強(qiáng)回波帶后側(cè)有弱回波通道或者后側(cè)入流缺口[21-22]。由圖4中未來(lái)1 h的真實(shí)回波可見(jiàn)，圖像上方持續(xù)存在一小弓形回波，并逐漸自左向右移動(dòng)，改進(jìn)后模型對(duì)回波整體形態(tài)預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，對(duì)于圖像上部的回波強(qiáng)度、形態(tài)和移動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)效果更優(yōu)，能夠更為明顯地呈現(xiàn)出小弓形回波的形態(tài)特征和強(qiáng)度。該個(gè)例在閾值為30 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為41%和29%，較改進(jìn)前分別提升13%、11%；閾值為40 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為27%和18%，較改進(jìn)前分別提升15%、13%，虛警率皆低于改進(jìn)前。

圖4 模型改進(jìn)前后2020年05月21日07點(diǎn)00分至07點(diǎn)54分預(yù)測(cè)效果對(duì)比

圖5為非測(cè)試集個(gè)例2022年06月12日15點(diǎn)00分至15點(diǎn)54分雷達(dá)回波預(yù)測(cè)效果對(duì)比，該個(gè)例在未來(lái)1 h的真實(shí)雷達(dá)回波中存在兩個(gè)小帶狀回波。由圖5中可見(jiàn)，未來(lái)1 h的真實(shí)雷達(dá)回波中左側(cè)帶狀回波形態(tài)較為穩(wěn)定，且維持了較高的強(qiáng)度，右側(cè)的帶狀回波則逐漸變?nèi)?、消散，原始模型預(yù)測(cè)左側(cè)帶狀回波逐漸消散、右側(cè)回波維持，而改進(jìn)后模型則較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了未來(lái)1 h左下角回波一直保持較高強(qiáng)度、右下角回波逐漸減弱的變化趨勢(shì)，與實(shí)況更為一致。該個(gè)例在閾值為30 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為76%和73%，較改進(jìn)前分別提升18%、36%；閾值為40 dbz時(shí)，0.5 h、1 h的預(yù)測(cè)命中率分別為30%和14%，較改進(jìn)前皆提升6%，0.5 h預(yù)測(cè)的虛警率與改進(jìn)前相當(dāng)，1 h預(yù)測(cè)的虛警率較改進(jìn)前分別降低18%、19%。

圖5 模型改進(jìn)前后2022年06月12日15點(diǎn)00分至15點(diǎn)54分預(yù)測(cè)效果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于深度學(xué)習(xí)模型ConvLSTM，提出了從輸入數(shù)據(jù)格式和損失函數(shù)兩方面改進(jìn)的雷達(dá)回波外推模型構(gòu)建思路，通過(guò)滄州雷達(dá)觀測(cè)站4年的歷史數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練得到了可利用近1 h雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)1 h雷達(dá)回波的模型。測(cè)試集和非測(cè)試集典型個(gè)例檢驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)模型對(duì)于強(qiáng)回波的預(yù)測(cè)能力明顯提升，預(yù)測(cè)的雷達(dá)強(qiáng)回波形態(tài)、強(qiáng)度、位置相比改進(jìn)前與實(shí)況具有更高的相似性，能夠?yàn)榕R近預(yù)報(bào)提供一定的參考。但改進(jìn)模型在回波強(qiáng)度最大值、形態(tài)細(xì)節(jié)等方面的預(yù)測(cè)結(jié)果距離雷達(dá)真實(shí)觀測(cè)仍有一定差距，同時(shí)，隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)值與真實(shí)觀測(cè)值的差異也逐漸加大，而且在外推預(yù)報(bào)的雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面，本研究?jī)H探索了對(duì)反射率因子數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，對(duì)于雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)中對(duì)大風(fēng)預(yù)報(bào)也有較好指示意義的徑向速度數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)尚未涉及。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和用于預(yù)測(cè)的模型均會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)效果的提升產(chǎn)生影響，更豐富的預(yù)報(bào)產(chǎn)品也將為預(yù)報(bào)能力提升提供更好支撐，因此，下一步將繼續(xù)開(kāi)展基于更豐富和更高質(zhì)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)、增加注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型以及關(guān)于雷達(dá)徑向速度觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品預(yù)測(cè)等方面的研究，進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)，豐富預(yù)測(cè)產(chǎn)品種類，提升預(yù)測(cè)效果，以便為大風(fēng)臨近預(yù)報(bào)提供更好支撐。