Python机器学习、深度学习提升气象、海洋、水文领域实践应用

Python是功能强大、免费、开源,实现面向对象的编程语言,能够在不同操作系统和平台使用,简洁的语法和解释性语言使其成为理想的脚本语言。除了标准库,还有丰富的第三方库,Python在数据处理、科学计算、数学建模、数据挖掘和数据可视化方面具备优异的性能。上述优势使得Python在气象、海洋、地理、气候、水文和生态等地学领域的科研和工程项目中得到广泛应用。可以预见未来Python将成为气象、海洋和水文等地学领域的主流编程语言之一。

人工智能和大数据技术在许多行业都取得了颠覆式的成果,气象和海洋领域拥有海量的模式和观测数据,是大数据和人工智能应用的天然场景。Python也是当前进行机器学习和深度学习应用的最热门语言。对于的气象海洋领域的专业人员,Python是进行机器学习和深度学习工作的首选。

专题一、Python软件的安装及入门

1.1 Python背景及其在气象中的应用

1.2 Anaconda解释和安装以及Jupyter配置

1.3 Python基础语法

专题二、气象常用科学计算库

2.1 Numpy库

2.2 Pandas库

2.4 Xarray库

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专题三、气象海洋常用可视化库
3.1可视化库介绍Matplotlib、Cartopy等
3.2 基础绘图
(1)折线图绘制
(2)散点图绘制
(3)填色/等值线
(4)流场矢量图
专题四、爬虫和气象海洋数据
(1)Request库的介绍
(2)爬取中央气象台天气图
(3)FNL资料爬取
(4) ERA5下载
专题五、气象海洋常用插值方法
(1)规则网格数据插值到站点
(2)径向基函数RBF插值
(3)反距离权重IDW插值
(4)克里金Kriging插值

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专题六、机器学习基础理论和实操

6.1 机器学习基础原理

(1)机器学习概论

(2)集成学习(Bagging和Boosting)

(3)常用模型原理(随机森林、Adaboost、GBDT、Xgboost、lightGBM)

6.2 机器学习库scikit-learn

(1)sklearn的简介

(2)sklearn完成分类任务

(3)sklearn完成回归任务

专题七、机器学习的应用实例

本专题,在详细讲解机器学习常用的两类集成学习算法,Bagging和Boosting,对两类算法及其常用代表模型深入讲解的基础上,结合三个学习个例,并串讲一些机器学习常用技巧,将理论与实践结合。

7.1机器学习与深度学习在气象中的应用

AI在气象模式订正、短临预报、气候预测等场景的应用

7.2 GFS数值模式的风速预报订正

(1)随机森林挑选重要特征

(2)K近邻和决策树模型订正风速

(3)梯度提升决策树GBDT订正风速

(4)模型评估与对比

7.3 台风预报数据智能订正

(1)CMA台风预报数据集介绍以及预处理

(2)随机森林模型订正台风预报

(3)XGBoost模型订正台风预报

(4)台风“烟花”预报效果检验

7.4 机器学习预测风电场的风功率

(1)lightGBM模型预测风功率

(2)调参利器—网格搜索GridSearch于K折验证

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专题八、深度学习基础理论和实操

8.1 深度学习基本理论

深度学习基本理论知识讲解,深入了解机器学习的基础理论和工作原理,掌握如何构建和优化神经网络模型(如人工神经网络ANN,卷积神经网络CNN、循环神经网络RNN等),提高对现有深度学习算法和技术的理解和应用能力,更好地应对后续海洋气象相关领域的实际问题和应用。

8.2 Pytorch库

(1)sklearn介绍、常用功能和机器学习方法

学习经典机器学习库sklearn的常用功能,如鸢尾花、手写字体等公开数据集的获取、划分训练集和测试集、模型搭建和模型验证等。

(2) pytorch介绍、搭建 模型

学习目前流行的深度学习框架pytorch,了解张量tensor、自动求导、梯度提升等,以BP神经网络学习sin函数为例,掌握如何搭建单层和多层神经网络,以及如何使用GPU进行模型运算。

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专题九、深度学习的应用实例

本专题,在学习使用ANN预测浅水方程的基础上,进一步掌握如何使用PINN方法,将动力方程加入模型中,缓解深度学习的物理解释性差的问题。此外,气象数据是典型的时空数据,学习经典的时序预测方法LSTM,以及空间卷积算法UNET。

9.1深度学习预测浅水方程模式

(1)浅水模型介绍和数据获取

(2) 传统神经网络ANN学习浅水方程

(3)物理约束网络PINN学习浅水方程

9.2 LSTM方法预测ENSO

(4)ENSO简介及数据介绍

(5)LSTM方法原理介绍

(6)LSTM方法预测气象序列数据

9.3深度学习—卷积网络

(1)卷积神经网络介绍

(2)Unet进行雷达回波的预测

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专题十、EOF统计分析

10.1 EOF基础和eofs库的介绍

10.2 EOF分析海表面温度数据

(1)SST数据计算距平,去趋势

(2)SST进行EOF分析,可视化

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专题十一、模式后处理

11.1 WRF模式后处理

(1)wrf-python库介绍

(2)提取站点数据

(3)500hPa形式场绘制

(4)垂直剖面图——雷达反射率为例

11.2 ROMS模式后处理

(1)xarray为例操作ROMS输出数据

(2)垂直坐标转换,S坐标转深度坐标

(3)垂直剖面绘制

(4)水平填色图绘制

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专题十二、交流与答疑

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