国防科技大学气象海洋学院在多源观测资料短临预报方向取得重要进展

学术   2024-11-30 20:51   中国香港  

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国防科技大学气象海洋学院在多源观测资料短临预报方向取得重要进展

人工智能模型能够从海量历史数据中发掘强对流天气的演变规律,智能短临预报模型相比传统方法在改善预报准确率和有效时长方面具有明显提升。近期国防科技大学气象海洋学院李骞副教授课题组将多个天气雷达产品,以及雷达、卫星等多源观测资料视为一组多模态数据,开展了基于多模态的智能短临预报技术研究,取得了系列原创性成果。

一、基于多产品融合的智能短临预报

天气雷达是强对流天气监测和预警的主要手段,具有较高的时空分辨率,能够提供关于天气系统结构、位置和运动状态等详细信息。以往的短临预报方法主要针对雷达组合反射率产品进行回波外推,雷达资料利用率较低,难以全面反映对流系统属性及状态变化,降低了短临预报的准确率。
课题组认为,天气雷达提供的回波顶高、液态水含量等多种产品能够从不同角度反映同一天气系统的状态及变化,且多种雷达产品之间具有较高的相关性和互补性。因此作者将多种雷达产品视为一组多模态数据集,运用多模态学习思想,建模并提取对流系统表征,充分挖掘不同雷达产品对短临预报的贡献。
为此,本研究提出了一种基于多产品融合的雷达回波外推模型MPFNet,模型结构如图1所示。MPFNet综合利用包括组合反射率、垂直累积液态水和回波顶高在内的多种雷达产品提供的对流系统信息,充分利用产品间的时空关联以辅助建模对流系统的垂直结构和降水分布特征,从而提高数据利用率,并改善雷达回波外推的性能。

图1 MPFNet模型结构图

图2. 四川地区的一个对流发展案例,时间T为2018年7月20日17时48分,UTC+8(左侧为输入数据,右侧为真值和预测数据,红框标注为重点区域的突出显示)。

二、基于多模态非对称融合的智能短临预报

近年来,越来越多的研究关注于整合多源观测资料,以提高短临预报准确性。但现有的方法在进行对不同时空分辨率观测资料融合时,通常进行插值使资料统一于相同时空分辨率,而插值操作易引入误差。课题组研究发现,在短临预报应用中,具有分层结构、高时空分辨率的天气雷达资料对短临预报结果具有更强的相关性和权重,而其他模态的数据如气象卫星数据和地面观测数据往往起辅助作用。
为此,作者设计了一种多源异构资料非对称融合的模型MAFNet,模型结构如图3所示。将天气雷达资料作为主要模态,将气象卫星数据和地面观测数据等其他气象资料作为辅助模态,显式地考虑上述资料在短临预报中的不同作用。模型通过动态时间规整DTW对齐不同时间分辨率资料,采用非对称融合策略有效融合不同尺度上模态内特有特征和模态间共享特征,以充分发挥不同模态数据的特点及对短临预报的贡献,进一步提高短临预报的准确率。

图3 基于MAFNet的短临预报模型结构图

图4. 不同的数据融合策略。(a)早期融合策略,(b)中间融合策略,(c)后期融合策略,(d)非对称融合策略。

图5. MeteoNet数据集(法国东南部)的两个回波外推案例。(a)时间T为2016年11月22日04时15分,UTC+1,(b)时间T为2018年4月11日11时10分,UTC+2(子图左侧为输入数据,子图右侧为真值和预测数据,红框标注为重点区域的突出显示)。
上述工作主要由国防科技大学气象海洋学院硕士生裴延乐李骞副教授等完成,得到了国家自然科学基金联合基金U2242201、国家自然科学基金面上项目42075139、湖南省自然科学基金2021JC0009等项目的资助,相关研究成果分别发表于IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(TGRS)、IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters(GRSL)和Remote Sensing(RS)。

相关成果

  1. 1. Yanle Pei, Qian Li*, et al. MPFNet: Multi-product Fusion Network for Radar Echo Extrapolation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2024. DOI: https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3496081

  2. 2. Qian Li*, Jinrui Jing, et al. A Deep Contrastive Model for Radar Echo Extrapolation. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2024. DOI: https://doi.org/10.1109/LGRS.2024.3505897

  3. 3. Yanle Pei, Qian Li*, et al. MAFNet: Multimodal Asymmetric Fusion Network for Radar Echo Extrapolation. Remote Sensing, 2024 16(19). DOI: https://doi.org/10.3390/rs16193597.





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