一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法及系统与流程

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1.本发明涉及数值天气预报领域，尤其涉及一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法及系统。

背景技术：

2.数值天气预报由于不同模式的初始场、初始扰动生成、模式框架、参数化方案各不相同，预报效果也具有明显的时间和空间上的差异。对数值模式进行检验评估是使用和发展数值预报系统的重要环节,设计合理的检验方案其检验结果不仅为模式设计者有效判断模式的物理方案、参数化及陆面过程等的合理性提供参考，而且能够为模式使用者了解模式的预报性能提供帮助是指导用户使用模式产品的重要环节。
3.模式检验中普遍和通用的方法是通过高空、地面观测或模式再分析数据进行点对点的对比来判别模式的预报技巧，通常被称为传统或经典检验方法。检验指标主要包括平均误差me、平均绝对误差mae、均方根误差rmse、偏差bias、以及命中率pod、误警率far、预报偏差bias。
4.在对多个模式预报效果进行检验评选时，单个检验指标，无法准确反映数值模式产品的预报能力。例如，对多个模式的同一预报要素进行检验评估时，a模式在均方根误差检验指标下预报效果最好，但是b模式在命中率指标检验下预报效果最好，无法准确反映数值模式产品的预报能力。
5.使用多个指标对多个模式的预报产品进行检验评估，当不同检验指标下对应的最优模式不一致时，没有一个客观、准确和科学的综合评价指标来进行最优模式筛选和指导用户使用模式产品。

技术实现要素：

6.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法及系统。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，所述评估方法包括：
8.根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；
9.将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；
10.根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；
11.根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。
12.可选的，所述飞行高度具体包括：fl050、fl100、fl180、fl240、fl300飞行高度。
13.可选的，所述统计指标值具体包括：平均误差me、平均绝对误差mae、均方根误差rmse、要素预报准确率。
14.可选的，所述根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分具体包括：
15.采用熵权法，根据指标变异性确定检验指标的客观权重；
16.根据所述客观权重计算参与检验评估的各数值预报模式的综合评分；
17.选取所述综合评分最高的数值预报模式为检验区域预报性能最优的数值模式。
18.可选的，所述采用熵权法，根据指标变异性确定检验指标的客观权重具体包括：
19.共有m个评价对象、n个评价指标，得到原始数据矩阵x＝(x
ij
)
m*n
，采用极差法对所述原始数据矩阵x进行标准化处理，得到矩阵y；
20.所述矩阵y的正向指标：
21.所述矩阵y的负向指标：
22.式中，y
ij
为第i个评价对象在第j个评价指标上的标准值，y
ij
∈[0，1]；
[0023]
和分别为评价对象在第j个评价指标中的最大值和最小值；
[0024]
计算第i个评价对象在第j个评价指标上的比重p
ij
[0025][0026]
计第j个评价指标的熵值ej，当p
ij
＝0时，令p
ij
*lnp
ij
＝0
[0027][0028]
k＝1/ln m
[0029]
计第j个评价指标的熵权wj[0030][0031][0032]
可选的，一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估系统，所述评估系统包括：
[0033]
区域选取模块，用于根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；
[0034]
要素插值模块，用于将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；
[0035]
评估指标选取计算模块，用于根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；
[0036]
综合评分模块，用于根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。
[0037]
本发明提供的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法及系统，评估方法包括：根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。实现了评分结果更加客观、准
确，方便用户使用模式产品，综合评分最高者为预报效果表现最佳的模式。
[0038]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0040]
图1为本发明实施例提供的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估系统的组成框图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的航路站点分布图。
具体实施方式
[0043]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0044]
本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。
[0045]
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0046]
如图1所示，一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法包括：
[0047]
根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；
[0048]
将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；
[0049]
根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；
[0050]
根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。
[0051]
如图2所示，区域选取模块，用于根据检验需求，确定检验区域，筛选出检验区域范围内的站点。
[0052]
插值模块，由于各数值预报模式的时空分辨率各不相同，用于将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到筛选出的站点上。
[0053]
指标选取计算模块，用于根据高空预报要素检验需求，选择在fl050、fl100、fl180、fl240、fl300等主要飞行高度上计算出每个检验站点的平均误差me、平均绝对误差mae、均方根误差rmse、要素预报准确率等统计指标值。
[0054]
综合评分模块，用于引入熵权法，根据指标变异性的大小来确定检验指标的客观
权重w，得到参与检验评估的各数值预报模式的综合评分，其中综合评分最高的数值预报模式，即为该检验区域预报性能最优的数值模式。若某个指标的信息熵越小，表明指标值得变异程度越大，提供的信息量越多，在综合评价中所能起到的作用也越大，其权重也就越大。相反，某个指标的信息熵越大，表明指标值得变异程度越小，提供的信息量也越少，在综合评价中所起到的作用也越小，其权重也就越小。
[0055]
如图3所示，以评估检验四个数值预报产品2021年春季在航路1区域范围内的高空温度预报，筛选出航路1上春季高空温度预报性能最优的模式。
[0056]
检验区域观测站筛选
[0057]
筛选出航路1范围内所包含的高空气象观测站共11个，作为空间区域的检验站点，如表1所示。
[0058]
表1航路1区域内筛选出的探空站点位信息
[0059]
站号纬度经度5451139.8000116.46675440140.7694114.91945346340.8558111.57145354339.8153110.01225351340.7219107.37065249540.1622104.80085268138.6333103.08335265239.0833100.28335146343.783387.65005253339.766798.48335241840.150094.6833
[0060]
模式产品插值到站点
[0061]
将需要检验评估的cma-meso、cma-bj-st、wafs和ecwmf四种数值预报模式的高空温度预报产品插值到筛选出的探空站点上。
[0062]
指标选取计算模块，使用2021年春季的探空站点上的高空定时值观测资料作为观测值，计算四种数值模式在检验区域内站点上高空温度预报在主要飞行高度层(fl050、fl100、fl180、fl240、fl300)上在统计时段内(2021年春季)的平均绝对误差(mae)。当某一飞行高度层上，多个模式对同一站点预报，其平均绝对误差最小的模式定义为该飞行高度层上该点位上的最优模式，并以此定义三个检验指标如下，统计结果如表2：
[0063]
表2检验指标参数表
[0064]
[0065]
最优占比：航路内站点在不同飞行高度上最优模式所占比例
[0066]
整层平均绝对误差：航路内站点在不同飞行高度层上平均绝对误差的平均值。
[0067]
准确率：要素预报误差满足预报精度(阈值)要求的预报次数百分比。
[0068]
综合评分模块，利用熵权法计算出三个检验指标的权重(表3)，将权重与表2归一化后的数值计算出各个数值预报模式高空温度预报效果的综合评分，表4。
[0069]
表3检验指标权重
[0070][0071]
表4各数值模式高空温度综合评分
[0072][0073][0074]
综上所述，温度综合评分最高的数值模式为cma-meso，因此航路1所在区域的高空温度预报推荐使用cma-meso的预报产品。
[0075]
有益效果：在专业气象服务中对多个数值预报模式进行预报效果检验评估时，通过选取多个统计检验指标，并利用熵权法计算出各检验指标的权重系数，得到一个综合检验指标对多个数值预报产品进行评估，综合评分最高者即为预报效果最优。
[0076]
将熵权法应用到多个检验指标对气象数值预报产品检验评估工作中时，确保在计算检验指标权重时不受主观因素的影响，指标权重根据特定的公式和数据计算，使评价结果更加客观、准确和科学。
[0077]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，其特征在于，所述评估方法包括：根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。2.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，其特征在于，所述飞行高度具体包括：fl050、fl100、fl180、fl240、fl300飞行高度。3.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，其特征在于，所述统计指标值具体包括：平均误差me、平均绝对误差mae、均方根误差rmse、要素预报准确率。4.根据权利要求1所述的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，其特征在于，所述根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分具体包括：采用熵权法，根据指标变异性确定检验指标的客观权重；根据所述客观权重计算参与检验评估的各数值预报模式的综合评分；选取所述综合评分最高的数值预报模式为检验区域预报性能最优的数值模式。5.根据权利要求4所述的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法，其特征在于，所述采用熵权法，根据指标变异性确定检验指标的客观权重具体包括：共有m个评价对象、n个评价指标，得到原始数据矩阵x＝(x
ij
)
m*n
，采用极差法对所述原始数据矩阵x进行标准化处理，得到矩阵y；所述矩阵y的正向指标：所述矩阵y的负向指标：式中，y
ij
为第i个评价对象在第j个评价指标上的标准值，y
ij
∈[0，1]；和分别为评价对象在第j个评价指标中的最大值和最小值；计算第i个评价对象在第j个评价指标上的比重p
ij
计第j个评价指标的熵值e
j
，当p
ij
＝0时，令p
ij
*lnp
ij
＝0k＝1/lnm计第j个评价指标的熵权w
j
计第i个评价对象
6.一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估系统，其特征在于，所述评估系统包括：区域选取模块，用于根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；要素插值模块，用于将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；评估指标选取计算模块，用于根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；综合评分模块，用于根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。

技术总结

本发明提供的一种基于熵权法的数值模式高空预报产品评估方法及系统，评估方法包括：根据检验需求，确定检验区域，并筛选出所述检验区域范围内的站点，获得筛选站点；将数值模式预报产品采取双线性插值处理，将格点预报插值到所述筛选站点上；根据高空预报要素检验需求，选择在飞行高度上计算出每个所述筛选站点的统计指标值；根据所述统计指标值采用熵权法计算各数值预报模式的综合评分。实现了评分结果更加客观、准确，方便用户使用模式产品，综合评分最高者为预报效果表现最佳的模式。评分最高者为预报效果表现最佳的模式。评分最高者为预报效果表现最佳的模式。