基于Unet++模型的像素级西北太平洋热带气旋生成预测
编号:301
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更新:2026-08-03 16:11:57 浏览:0次
口头报告
摘要
热带气旋(Tropical Cyclone, TC)生成预测是气象预报中的重大挑战。传统机器学习方法通常将热带气旋生成(Tropical Cyclone Genesis , TCG)预测视为二分类问题,即判断是否会发展成台风,但无法提供生成的具体位置信息。本研究基于UNet++架构,构建了一种像素级台风生成位置预测模型,将台风生成预测从传统的二分类问题重构为语义分割任务,不仅能够输出台风生成的全区域概率分布图以实现精准定位,同时可通过后处理自然退化为二分类预测,兼具"能否生成"的判断能力与在何处生成的定位能力。模型基于2014-2023年ERA5再分析数据与IBTrACS最佳路径数据集进行训练与预测,输入过去24小时(6小时分辨率共四个时刻)的气象要素场,直接预测台风生成的可能位置。为捕捉台风生成前关键物理量的演变趋势,本研究创新性地引入了一阶和二阶时间差分特征。实验结果表明,模型在独立测试集上取得了良好的预测性能,为进一步提升预测的稳定性与泛化能力,本研究采用集成学习策略,训练3个不同随机数种子的UNet++模型并取平均预测结果,结果显示,中心定位F1分数(Center F1,基于5°半径内中心点匹配)达到0.884,样本级二分类F1分数达到0.767,样本级召回率高达0.917,中心定位精度达0.998。相比(Nguyen et al., 2024)基于ResNet的TCG分类方法(提前6小时预报F1分数约0.48),相较于 ECMWF、UKMO 集合数值模式对热带气旋生成识别能力偏弱、最大检出率 0.59 且仅能输出离散涡旋点位的局限(Majumdar et al., 2026),本模型漏报更少、定位误差极小,同时输出全域连续概率场,精细化预警优势突出。通过Gradient-based特征重要性分析,揭示了三个核心发现:(1)中低层涡度特征是主导因子,其中500hPa涡度的一阶差分(即涡度在最近6小时的变化率)排名第一;(2)差分特征(反映物理量的变化趋势)的重要性系统性高于原始时刻特征;(3)原始时刻特征场中,台风生成前18-24小时的环流背景对预测贡献最大。本研究为台风生成位置预测提供了新的技术路径,也为理解台风生成机理提供了数据驱动的物理见解。
关键词
台风生成预测,台风生成定位预测,UNet++
稿件作者
王伟
南京大学大气科学学院
李美轩
南京大学大气科学学院
顾剑锋
南京大学
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