基于物理信息神经网络的台风路径预报模型
编号:258
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更新:2026-08-02 22:30:28 浏览:0次
口头报告
摘要
台风路径预报,尤其是突然转向、打转、停滞等异常路径的预报,仍是灾害天气监测预报中的难题。纯数据驱动的深度学习模型虽在精度上有所提升,但存在物理可解释性不足、易产生非物理加速和不合理急转等问题。本研究提出一种物理信息神经网络(PINN)框架,将台风运动的物理约束以可微软约束形式嵌入损失函数,与数据驱动损失联合优化。物理约束包括两类:轨迹连续性约束(加速度、曲率、地理边界惩罚)和对流层低层至中层动力一致性约束(850和500 hPa涡度与散度约束)。模型采用CNN-MLP双分支编码器联合编码台风历史运动状态与大尺度环境场,经Transformer时序编码后并行输出6至24小时预报位置。基于西北太平洋42年CMA最佳路径和ERA5再分析资料,模型24小时路径预报误差为81.52 km,较几个深度学习模型降低约13%,与区域业务数值天气预报系统相当。消融实验表明,物理约束使总体误差从56.65 km降至53.25 km,其中6小时预报时效改善超过20%。模型对突变路径和打转路径均表现出可靠的预报能力。进一步分析表明,台风移动速度在所有预报时效中占主导地位,500 hPa散度在环境因子中贡献最大,其次为850 hPa涡度。本研究为台风路径预报提供了一种物理可解释、计算高效的智能预报新途径。
关键词
物理信息神经网络;台风路径;预报;物理约束;深度学习
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