針對傳統(tǒng)地面氣溫質(zhì)量控制算法在選取參考站和賦權(quán)時(shí)大多采用與目標(biāo)站的歐式距離來判斷與目標(biāo)站的相關(guān)性程度,易導(dǎo)致最終質(zhì)量控制結(jié)果精確度低且不穩(wěn)定的問題,提出一種基于余弦相似度和移動(dòng)曲面擬合的地面氣溫資料質(zhì)量控制（MSF-COS-RMSE,MCR）算法。通過引入余弦相似度函數(shù)和均方根誤差（root mean square error,RMSE）分析鄰近站與目標(biāo)站觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性,并使用余弦值與RMSE值對各參考站進(jìn)行賦權(quán),結(jié)合移動(dòng)曲面擬合（moving surface fitting,MSF）算法擬合空間相關(guān)性曲面,求取目標(biāo)站氣溫估計(jì)值。利用所提MCR算法對國家氣象中心提供的8個(gè)地面觀測站2014年日均溫觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制分析,并與反距離加權(quán)（inverse distance weighting,IDW）算法、空間相關(guān)性及B樣條曲面擬合（spatial correlation and B-spline surface fitting, BSF）算法、MSF算法以及空間觀測差異的地面氣溫資料質(zhì)量控制（spatial observation diversity fitting, SDF）算法進(jìn)行... 

【文章來源】：中國科技論文. 2020,15(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

目標(biāo)站周圍站點(diǎn)空間分布

圖2為目標(biāo)站與周圍站點(diǎn)的RMSE-COS示意圖,可以看出:RMSE值和COS值基本呈線性變化,RMSE值越大,COS值越小;反之,RMSE值越小,COS值越大。將距離圖中矩形區(qū)域較遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為離群點(diǎn),將矩形外圍較近的點(diǎn)稱為鄰近點(diǎn),矩形內(nèi)的點(diǎn)稱為相似點(diǎn)。橫坐標(biāo)RMSE值計(jì)算各站點(diǎn)氣溫觀測數(shù)據(jù)與目標(biāo)站氣溫觀測數(shù)據(jù)的誤差,從觀測數(shù)據(jù)本身分析站點(diǎn)間觀測值的相關(guān)性程度;縱坐標(biāo)COS值不考慮氣溫序列長度,只從方向上判斷各站點(diǎn)與目標(biāo)站的相似度,通過計(jì)算2個(gè)站點(diǎn)時(shí)間序列向量內(nèi)積空間夾角的余弦值來度量相似性。在矩形區(qū)域內(nèi),RMSE<10,COS>0.9,認(rèn)為超過這一閾值的站點(diǎn)從觀測數(shù)據(jù)上來看與目標(biāo)站相關(guān)度不高,即為鄰站點(diǎn)和離群點(diǎn)。而區(qū)域內(nèi)的所有站點(diǎn)均被選為參考站點(diǎn),RMSE均在10以下,其中大部分集聚在5以內(nèi),從觀測數(shù)據(jù)來看與目標(biāo)站觀測誤差較小;COS均在0.9以上,各站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)方向上的變化趨勢接近,能夠作為樣本點(diǎn)更好地預(yù)測目標(biāo)站的氣溫觀測值。為了考察本文所提MCR算法的預(yù)測精度,利用IDW、BSF、MSF、SDF、MCR這5種算法對南京站和新鄉(xiāng)站2014年地面氣溫資料質(zhì)量控制效果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

為了考察本文所提MCR算法的預(yù)測精度,利用IDW、BSF、MSF、SDF、MCR這5種算法對南京站和新鄉(xiāng)站2014年地面氣溫資料質(zhì)量控制效果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,對于不同目標(biāo)站,算法的預(yù)測精度及擬合優(yōu)度有明顯的差異,其中IDW、BSF、MSF、SDF算法對目標(biāo)站南京地面氣溫預(yù)測精度及擬合優(yōu)度明顯好于新鄉(xiāng)站。根據(jù)2個(gè)站點(diǎn)周圍地形進(jìn)行分析:首先,目標(biāo)站南京站所在高程為40 m,除去西南較遠(yuǎn)的黃山區(qū)周邊高程約為200～600 m,其余200 km范圍內(nèi)高程均約為50 m,地形相對平緩,為平原地帶,結(jié)合站點(diǎn)分布圖(圖1(a))可見,黃山區(qū)附近僅有4～5個(gè)站點(diǎn),其余站點(diǎn)均分布在地勢較為平緩的平原地帶,因此5種算法對目標(biāo)站南京地面氣溫預(yù)測效果較好;其次,目標(biāo)站新鄉(xiāng)站所在高程為100 m,且200 km范圍內(nèi)地形較為復(fù)雜,波動(dòng)較大,其中新鄉(xiāng)站西北部和北部高程為100～1 200 m,大部分約為1 000 m,其西南方向高程為100～400 m,東北方向和東南方向地形相對平坦,高程基本保持在50 m,結(jié)合站點(diǎn)分布圖(圖1(b))可見,西南方向和西北方向的站點(diǎn)分布較多,考慮地形、地貌對于氣溫觀測值的影響,該站點(diǎn)周圍氣溫分布情況相差較大,因此IDW算法、BSF算法、MSF算法、SDF算法對新鄉(xiāng)站地面氣溫資料的預(yù)測效果明顯不如南京站。


本文編號：3412781