Journal of Arid Meteorology ›› 2023, Vol. 41 ›› Issue (1): 173-185.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0173
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YUAN Kai(), PANG Jing(), LI Wujie, LI Ming
Received:
2021-12-03
Revised:
2022-05-25
Online:
2023-02-28
Published:
2023-02-28
通讯作者:
庞晶(1987—),女,山东泰安人,硕士,高级工程师,主要从事中短期天气预报研究。 E-mail:857812916@qq.com。作者简介:
袁凯(1986—),男,湖南宁乡人,硕士,高级工程师,主要从事短时临近预报预警技术研究。 E-mail:yuankai2009@126.com。
基金资助:
CLC Number:
YUAN Kai, PANG Jing, LI Wujie, LI Ming. Application evaluation of deep learning models in radar echo nowcasting in Wuhan in flood season of 2021[J]. Journal of Arid Meteorology, 2023, 41(1): 173-185.
袁凯, 庞晶, 李武阶, 李明. 深度学习模型在2021年汛期武汉市雷达回波临近预报中的应用评估[J]. 干旱气象, 2023, 41(1): 173-185.
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URL: http://www.ghqx.org.cn/EN/10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0173
降水过程分类 | PI/mm | PA/% |
---|---|---|
一般区域性过程 | 5.0~24.9 | ≥70 |
较强区域性过程 | 25.0~49.9 | ≥70 |
强区域性过程 | ≥50.0 | ≥70 |
局地一般对流性过程 | 5.0~15.0 | ≤20 |
Tab.1 Classification standard of precipitation intensity and area of precipitation processes with different types in Wuhan City in flood season of 2021
降水过程分类 | PI/mm | PA/% |
---|---|---|
一般区域性过程 | 5.0~24.9 | ≥70 |
较强区域性过程 | 25.0~49.9 | ≥70 |
强区域性过程 | ≥50.0 | ≥70 |
局地一般对流性过程 | 5.0~15.0 | ≤20 |
降水类型 | 检验样本数/个 | 过程起止时间 | PI/mm | PA/% |
---|---|---|---|---|
一般区域性降水过程 | 2 441 | 5月3日08:00至4日02:00 | 22.7 | 95.8 |
5月13日09:00至14日02:00 | 15.7 | 92.6 | ||
5月22日10:00至23日08:00 | 22.2 | 95.8 | ||
5月26日05:00—08:00 | 11.9 | 94.7 | ||
5月26日08:00—16:00 | 22.4 | 95.8 | ||
6月26日14:00至27日08:00 | 17.9 | 94.7 | ||
6月17日08:00—11:00、18日03:00—08:00 | 7.8 | 93.2 | ||
6月18日08:00—11:00、19日00:00—08:00 | 23.3 | 93.2 | ||
6月19日08:00至20日08:00 | 7.9 | 96.8 | ||
6月26日14:00至27日08:00 | 18.5 | 93.7 | ||
7月2日08:00至3日04:00 | 17.8 | 97.9 | ||
7月5日08:00至6日08:00 | 19.4 | 98.9 | ||
7月16日20:00至17日08:00 | 17.8 | 93.1 | ||
7月17日08:00—18:00 | 16.2 | 97.4 | ||
7月19日08:00—20:00 | 10.4 | 87.8 | ||
8月10日21:00至11日08:00 | 20.3 | 95.8 | ||
8月20日11:00至21日02:00 | 20.6 | 96.8 | ||
8月24日08:00—17:00 | 16.6 | 97.4 | ||
较强区域性降水过程 | 1 537 | 5月10日11:00至11日05:00 | 48.3 | 94.7 |
7月1日08:00至2日08:00 | 36.6 | 98.4 | ||
7月18日08:00至19日08:00 | 31.6 | 96.3 | ||
8月9日08:00至10日08:00 | 40.7 | 96.7 | ||
8月11日08:00至12日08:00 | 26.8 | 97.4 | ||
8月13日08:00—18:00 | 38.1 | 97.4 | ||
9月19日14:00至20日05:00 | 49.6 | 95.8 | ||
强区域性降水过程 | 563 | 5月14日08:00至15日08:00 | 50.7 | 93.6 |
6月27日08:00—20:00 | 51.9 | 80.0 | ||
8月23日21:00至24日08:00 | 74.3 | 98.4 | ||
局地一般对流性降水过程 | 1 260 | 7月26日17:00—19:00 | 5.5 | 12.0 |
7月27日16:00—19:00 | 8.5 | 18.0 | ||
7月28日12:00—17:00 | 6.1 | 17.3 | ||
8月2日13:00—17:00 | 7.3 | 7.2 | ||
8月3日12:00—14:00 | 8.9 | 16.9 | ||
8月4日16:00—21:00 | 6.0 | 10.0 | ||
8月5日14:00—19:00 | 6.2 | 8.8 |
Tab.2 The main occurrence time and PA, PI of precipitation processes in Wuhan City in flood season of 2021
降水类型 | 检验样本数/个 | 过程起止时间 | PI/mm | PA/% |
---|---|---|---|---|
一般区域性降水过程 | 2 441 | 5月3日08:00至4日02:00 | 22.7 | 95.8 |
5月13日09:00至14日02:00 | 15.7 | 92.6 | ||
5月22日10:00至23日08:00 | 22.2 | 95.8 | ||
5月26日05:00—08:00 | 11.9 | 94.7 | ||
5月26日08:00—16:00 | 22.4 | 95.8 | ||
6月26日14:00至27日08:00 | 17.9 | 94.7 | ||
6月17日08:00—11:00、18日03:00—08:00 | 7.8 | 93.2 | ||
6月18日08:00—11:00、19日00:00—08:00 | 23.3 | 93.2 | ||
6月19日08:00至20日08:00 | 7.9 | 96.8 | ||
6月26日14:00至27日08:00 | 18.5 | 93.7 | ||
7月2日08:00至3日04:00 | 17.8 | 97.9 | ||
7月5日08:00至6日08:00 | 19.4 | 98.9 | ||
7月16日20:00至17日08:00 | 17.8 | 93.1 | ||
7月17日08:00—18:00 | 16.2 | 97.4 | ||
7月19日08:00—20:00 | 10.4 | 87.8 | ||
8月10日21:00至11日08:00 | 20.3 | 95.8 | ||
8月20日11:00至21日02:00 | 20.6 | 96.8 | ||
8月24日08:00—17:00 | 16.6 | 97.4 | ||
较强区域性降水过程 | 1 537 | 5月10日11:00至11日05:00 | 48.3 | 94.7 |
7月1日08:00至2日08:00 | 36.6 | 98.4 | ||
7月18日08:00至19日08:00 | 31.6 | 96.3 | ||
8月9日08:00至10日08:00 | 40.7 | 96.7 | ||
8月11日08:00至12日08:00 | 26.8 | 97.4 | ||
8月13日08:00—18:00 | 38.1 | 97.4 | ||
9月19日14:00至20日05:00 | 49.6 | 95.8 | ||
强区域性降水过程 | 563 | 5月14日08:00至15日08:00 | 50.7 | 93.6 |
6月27日08:00—20:00 | 51.9 | 80.0 | ||
8月23日21:00至24日08:00 | 74.3 | 98.4 | ||
局地一般对流性降水过程 | 1 260 | 7月26日17:00—19:00 | 5.5 | 12.0 |
7月27日16:00—19:00 | 8.5 | 18.0 | ||
7月28日12:00—17:00 | 6.1 | 17.3 | ||
8月2日13:00—17:00 | 7.3 | 7.2 | ||
8月3日12:00—14:00 | 8.9 | 16.9 | ||
8月4日16:00—21:00 | 6.0 | 10.0 | ||
8月5日14:00—19:00 | 6.2 | 8.8 |
算法 | MSE/dBZ2 | SSIM | POD | FAR | CSI |
---|---|---|---|---|---|
CrevNet | 24.68 | 0.67 | 0.48 | 0.32 | 0.39 |
MIM | 20.47 | 0.74 | 0.60 | 0.25 | 0.51 |
PhyDNet | 22.33 | 0.72 | 0.52 | 0.25 | 0.46 |
PredRNN++ | 20.72 | 0.74 | 0.57 | 0.24 | 0.50 |
光流法 | 24.05 | 0.71 | 0.58 | 0.35 | 0.45 |
Tab.3 The average scores of four deep learning models and optical flow method in flood season of 2021
算法 | MSE/dBZ2 | SSIM | POD | FAR | CSI |
---|---|---|---|---|---|
CrevNet | 24.68 | 0.67 | 0.48 | 0.32 | 0.39 |
MIM | 20.47 | 0.74 | 0.60 | 0.25 | 0.51 |
PhyDNet | 22.33 | 0.72 | 0.52 | 0.25 | 0.46 |
PredRNN++ | 20.72 | 0.74 | 0.57 | 0.24 | 0.50 |
光流法 | 24.05 | 0.71 | 0.58 | 0.35 | 0.45 |
Fig.1 The time evolution of average POD (solid lines) and FAR (dashed lines)(a) and CSI (b) of four deep learning models and optical flow method in flood season of 2021
算法 | CSI | POD | FAR | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | 20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | 20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | |
光流法 | 0.43 | 0.28 | 0.08 | 0.55 | 0.39 | 0.14 | 0.36 | 0.55 | 0.72 |
MIM | 0.49 | 0.28 | 0.06 | 0.58 | 0.34 | 0.07 | 0.28 | 0.31 | 0.14 |
CrevNet | 0.38 | 0.24 | 0.05 | 0.47 | 0.33 | 0.08 | 0.35 | 0.52 | 0.51 |
PhyDNet | 0.42 | 0.21 | 0.04 | 0.49 | 0.32 | 0.05 | 0.25 | 0.26 | 0.09 |
PredRNN++ | 0.47 | 0.25 | 0.05 | 0.55 | 0.30 | 0.06 | 0.26 | 0.27 | 0.10 |
Tab.4 The average scores of forecast of radar echo with different intensities by four deep learning models and optical flow method in flood season of 2021
算法 | CSI | POD | FAR | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | 20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | 20 dBZ | 30 dBZ | 40 dBZ | |
光流法 | 0.43 | 0.28 | 0.08 | 0.55 | 0.39 | 0.14 | 0.36 | 0.55 | 0.72 |
MIM | 0.49 | 0.28 | 0.06 | 0.58 | 0.34 | 0.07 | 0.28 | 0.31 | 0.14 |
CrevNet | 0.38 | 0.24 | 0.05 | 0.47 | 0.33 | 0.08 | 0.35 | 0.52 | 0.51 |
PhyDNet | 0.42 | 0.21 | 0.04 | 0.49 | 0.32 | 0.05 | 0.25 | 0.26 | 0.09 |
PredRNN++ | 0.47 | 0.25 | 0.05 | 0.55 | 0.30 | 0.06 | 0.26 | 0.27 | 0.10 |
降水类型 | 光流法 | MIM | CrevNet | PhyDNet | PredRNN++ | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | |
一般区域性降水过程 | 0.59 | 0.35 | 0.46 | 0.64 | 0.24 | 0.52 | 0.48 | 0.33 | 0.40 | 0.53 | 0.25 | 0.47 | 0.58 | 0.23 | 0.51 |
较强区域性降水过程 | 0.60 | 0.35 | 0.46 | 0.58 | 0.24 | 0.50 | 0.47 | 0.28 | 0.40 | 0.49 | 0.24 | 0.44 | 0.56 | 0.23 | 0.49 |
强区域性降水过程 | 0.60 | 0.30 | 0.50 | 0.69 | 0.23 | 0.59 | 0.59 | 0.29 | 0.49 | 0.63 | 0.21 | 0.55 | 0.65 | 0.20 | 0.57 |
局地一般对流性降水过程 | 0.48 | 0.54 | 0.31 | 0.40 | 0.37 | 0.32 | 0.28 | 0.41 | 0.22 | 0.29 | 0.38 | 0.24 | 0.38 | 0.36 | 0.31 |
Tab.5 The average scores of radar echo forecast of rainfall processes with different intensities by optical flow method and four deep learning models in flood season of 2021
降水类型 | 光流法 | MIM | CrevNet | PhyDNet | PredRNN++ | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | POD | FAR | CSI | |
一般区域性降水过程 | 0.59 | 0.35 | 0.46 | 0.64 | 0.24 | 0.52 | 0.48 | 0.33 | 0.40 | 0.53 | 0.25 | 0.47 | 0.58 | 0.23 | 0.51 |
较强区域性降水过程 | 0.60 | 0.35 | 0.46 | 0.58 | 0.24 | 0.50 | 0.47 | 0.28 | 0.40 | 0.49 | 0.24 | 0.44 | 0.56 | 0.23 | 0.49 |
强区域性降水过程 | 0.60 | 0.30 | 0.50 | 0.69 | 0.23 | 0.59 | 0.59 | 0.29 | 0.49 | 0.63 | 0.21 | 0.55 | 0.65 | 0.20 | 0.57 |
局地一般对流性降水过程 | 0.48 | 0.54 | 0.31 | 0.40 | 0.37 | 0.32 | 0.28 | 0.41 | 0.22 | 0.29 | 0.38 | 0.24 | 0.38 | 0.36 | 0.31 |
Fig.2 The comparison of radar echo forecasted by four deep learning models and optical flow method with the observation from 22:30 on 23 August to 00:00 on 24 August, 2021 (Unit: dBZ) (From top to bottom, it is the observed radar echo and radar echo forecasted by optical flow method and deep learning models of CrevNet, MIM, PhyDNet and PredRNN++ in turns, the black triangle is for the Wuhan radar station, the area enclosed by black line is for the Wuhan City. the same as below)
起报时刻 | 光流法 | MIM | CrevNet | PhyDNet | PredRNN++ |
---|---|---|---|---|---|
23日22:00 | 0.48 | 0.71 | 0.67 | 0.60 | 0.69 |
24日02:00 | 0.74 | 0.80 | 0.75 | 0.79 | 0.82 |
24日14:00 | 0.59 | 0.65 | 0.56 | 0.64 | 0.61 |
Tab. 6 The CSI score of radar echo forecasted by four deep learning models and optical flow method at three initiation time from 23 to 24 August 2021
起报时刻 | 光流法 | MIM | CrevNet | PhyDNet | PredRNN++ |
---|---|---|---|---|---|
23日22:00 | 0.48 | 0.71 | 0.67 | 0.60 | 0.69 |
24日02:00 | 0.74 | 0.80 | 0.75 | 0.79 | 0.82 |
24日14:00 | 0.59 | 0.65 | 0.56 | 0.64 | 0.61 |
Fig.3 The comparison of radar echo forecasted by four deep learning models and optical flow method with the observation from 02:30 to 04:00 on 24 August 2021 (Unit: dBZ)
Fig.4 Comparison of radar echo forecasted by four deep learning models and optical flow method with the observation from 14:30 to 16:00 on 24 August 2021 (Unit: dBZ)
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