水文研究的新工具：Python机器学习的应用！

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Python机器学习和深度学习技术在气象、海洋和水文领域的应用正逐渐成为推动研究和预测的重要工具。气象、海洋和水文领域的数据量庞大且复杂，传统的数学模型难以准确预测复杂的自然现象。Python凭借其简洁的语法、丰富的机器学习库（如Scikit-learn、TensorFlow、Keras）以及深度学习框架，为这些领域提供了高效的数据处理和模型训练能力。

在气象领域，机器学习和深度学习技术能够分析历史数据，预测天气变化和极端天气事件。在海洋和水文领域，深度学习可用于海洋温度、潮汐预测以及水流模型的优化。通过神经网络和其他机器学习模型，能够准确提取复杂数据的规律和模式，提升预测精度。

然而，学习Python机器学习与深度学习技术面临一定挑战，主要包括对大数据的处理、模型选择与调优、算法的计算复杂性等问题。尽管如此，随着技术不断发展，掌握这些技术将在气象、海洋和水文研究中提供巨大的竞争优势。

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

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

专题六、机器学习基础理论

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

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

专题八、深度学习基础理论

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。

专题九、深度学习的应用

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

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

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

十二章 了解更多
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