一种海上单点有效波高预报方法及系统与流程

本发明涉及海上有效波高预报的，尤其是指一种海上单点有效波高预报方法及系统。

背景技术：

1、有效波高是海浪要素之一，其预报方法有半经验半理论预报法、经验统计预报法、数值模式预报法以及基于人工智能的海浪预报法。半经验半理论预报法基于风要素的时空特征来预报风浪和涌浪，因此具有很强的区域限制。不同区域的风要素变化趋势不同，因此同一经验理论在不同风区适用性差；同时在大风速区预报准确度较低。经验统计预报法是根据波浪与风速风区、气压、大风半径等变量的历史观测数据找到波浪与变量之间的关系。以上两种预报法需要根据不同区域总结不同的经验关系公式进行预报，无法广泛应用。

2、数值模式预报法是当前较主流的海浪预报方法。随着计算机算力的飞速发展，已发展出三代数值预报模式，其中第三代数值预报模式可直接计算波与波之间的非线性能量传输作用，充分考虑能量平衡方程中的各个项，是能同时进行浅深水预报的数值预报方法。当前海浪预报的模式多以第三代数值预报模式为主要参考，代表模式为swan和ww3两种模式。这两种模式都能更真实地描述波高的变化，其预报的稳定性与可靠度获得了广泛认可。虽然数值模式预报结果精度较高，但同时需要庞大的数据以及性能强大的计算机作为计算基础，计算成本大且复杂度高。随着人工智能算法和大数据科学的迅猛发展，已有研究尝试将二者引入海浪的预报中。其中，有研究采用深度学习模型，结合历史的海浪波高数据和风场数据建模进行有效波高预测。但深度学习对样本量和计算机性能要求较高，这对工业界快速简洁地应用有效波高模型带来一定挑战。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服现有技术的不足，提出了一种海上单点有效波高预报方法及系统，基于有效波高和海上气象要素的历史数据运用梯度提升回归模型进行有效波高预测，准确度高、计算成本小且能灵活应用于不同区域。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：一种海上单点有效波高预报方法，包括以下步骤：

3、s1、获取海上历史数据集，作为训练数据；

4、s2、对该海上历史数据集进行转换的预处理；

5、s3、对预处理后的海上历史数据集提取多个特征向量；

6、s4、运用提取到的多个特征向量训练梯度提升回归模型；

7、s5、获取实时天气预报数据，并将该实时天气预报数据输入到完成训练的梯度提升回归模型中，得到所预报的有效波高；

8、s6、根据预设的统计指标验证梯度提升回归模型预报有效波高的准确性。

9、进一步，在步骤s1中，所述海上历史数据集包括10米的经向风和纬向风、100米的经向风和纬向风、海平面气压和有效波高。

10、进一步，所述步骤s2包括以下步骤：

11、根据三角形法则，将海上历史数据集的10米的经向风和纬向风以及100米的经向风和纬向风转换成10米风速、10米风向、100米风速以及100米风向，同时将海平面气压的单位由帕转为百帕。

12、进一步，所述步骤s3包括以下步骤：

13、提取主要特征，计算每个特征的重要程度来排序筛选，最终得到5个特征向量，分别为10米风速、10米风向、100米风速、100米风向以及海平面气压。

14、进一步，所述步骤s4包括以下步骤：

15、将特征向量和海上历史数据集中的有效波高数据输入到梯度提升回归模型中进行训练，进而提高梯度提升回归模型的精度和泛化程度。

16、进一步，所述步骤s5包括以下步骤：

17、获取实时天气预报数据的10米风速风向、100米风速风向以及海平面气压作为输入数据，输入到完成训练的梯度提升回归模型中，得到所预报的有效波高。

18、进一步，所述步骤s6包括以下步骤：

19、计算分析有效波高与模型预报有效波高的统计指标决定系数r2，r2大于0.8说明预报的有效波高接近再分析资料的有效波高，从而说明模型对有效波高的预报准确性，具体公式如下：

20、

21、式中，yi为第i个时次的再分析数据有效波高，为第i个时次的模型预报有效波高，为再分析数据有效波高的均值，m为样本量。

22、本发明所提供的一种海上单点有效波高预报系统，包括：

23、训练数据获取及更新模块，用于获取海上历史气象数据作为训练数据，并按照预设的周期以定期更新海上历史气象数据；

24、数据预处理模块，用于对海上历史气象数据进行转换的预处理；

25、特征工程模块，用于提取海上历史气象数据的主要特征向量；

26、模型搭建模块，用于选择算法模型，并运用提取到的特征向量训练该模型；

27、预报结果验证模块，用于根据预设的统计指标验证梯度提升回归模型预报有效波高的准确性。

28、进一步，所述训练数据获取及更新模块执行以下操作：

29、获取海上历史数据集，作为训练数据，所述海上历史数据集包括10米的经向风和纬向风、100米的经向风和纬向风、海平面气压和有效波高；每个季度更新一次训练数据，用于重新训练算法模型，保证算法模型能够学习更多的气象要素与有效波高的映射关系。

30、进一步，所述模型搭建模块执行以下操作：

31、选择梯度提升回归模型，将特征向量和海上历史数据集中的有效波高数据输入到梯度提升回归模型中进行训练，进而提高度提升回归模型的精度和泛化程度。

32、本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

33、本发明在保证效率的前提下能够实现较为准确预报有效波高，同时本发明的兼容性高，可用于不同区域的有效波高预报，且所需数据获取简便，模型训练和预报操作简单，节省成本。

技术特征：

1.一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于：在步骤s1中，所述海上历史数据集包括10米的经向风和纬向风、100米的经向风和纬向风、海平面气压和有效波高。

3.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，所述步骤s2包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的一种海上单点有效波高预报方法，其特征在于，所述步骤s6包括以下步骤：

8.一种海上单点有效波高预报系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的一种海上单点有效波高预报系统，其特征在于，所述训练数据获取及更新模块执行以下操作：

10.根据权利要求8所述的一种海上单点有效波高预报系统，其特征在于，所述模型搭建模块执行以下操作：

技术总结
本发明公开了一种海上单点有效波高预报方法及系统，该方法包括以下步骤：S1、获取海上历史数据集，作为训练数据；S2、对该海上历史数据集进行转换的预处理；S3、对预处理后的海上历史数据集提取多个特征向量；S4、运用提取到的多个特征向量训练梯度提升回归模型；S5、获取实时天气预报数据，并将该实时天气预报数据输入到完成训练的梯度提升回归模型中，得到所预报的有效波高；S6、根据预设的统计指标验证梯度提升回归模型预报有效波高的准确性；本发明在保证效率的前提下能够实现较为准确预报有效波高，同时本发明的兼容性高，可用于不同区域的有效波高预报，且所需数据获取简便，模型训练和预报操作简单，节省成本。

技术研发人员：孙启涛,李淑津,段练达,梁好,鲁纳纳
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14