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第一章氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的背景與挑戰(zhàn)第二章氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程第三章常用機(jī)器學(xué)習(xí)模型在氣象預(yù)測(cè)中的應(yīng)用第四章氣象預(yù)測(cè)的評(píng)估與優(yōu)化第五章氣象預(yù)測(cè)的深度學(xué)習(xí)模型第六章氣象預(yù)測(cè)的未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn)01第一章氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的背景與挑戰(zhàn)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的重要性2023年歐洲熱浪導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰,損失超300億歐元精準(zhǔn)的降雨預(yù)測(cè)可減少50%的農(nóng)業(yè)損失傳統(tǒng)氣象預(yù)測(cè)依賴統(tǒng)計(jì)模型(如ARIMA),但面對(duì)非線性行為誤差高達(dá)15%機(jī)器學(xué)習(xí)模型能捕捉復(fù)雜模式,如LSTM在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)中誤差降低至5%全球氣候變暖加劇極端天氣事件農(nóng)業(yè)需精準(zhǔn)降雨預(yù)測(cè)傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型的局限性機(jī)器學(xué)習(xí)模型的潛力氣象數(shù)據(jù)具有高維度、稀疏性和動(dòng)態(tài)性,如每小時(shí)更新1萬個(gè)傳感器的數(shù)據(jù),但其中90%為缺失值氣象數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的現(xiàn)有方法依賴物理方程的數(shù)值模型(如ECMWF模型),但計(jì)算成本高,需超算中心支持,且對(duì)初始誤差敏感ARIMA和SARIMA模型適用于短期預(yù)測(cè),但無法處理長(zhǎng)期依賴關(guān)系。如ARIMA在預(yù)測(cè)2023年北美冬季積雪時(shí),季節(jié)性偏差達(dá)20%隨機(jī)森林和CNN在圖像化氣象數(shù)據(jù)(如衛(wèi)星云圖)中表現(xiàn)優(yōu)異,但需大量標(biāo)注數(shù)據(jù)。如隨機(jī)森林在降雨量預(yù)測(cè)中,F(xiàn)1-score僅達(dá)0.65,需改進(jìn)氣象數(shù)據(jù)源多樣,但融合難度大,如雷達(dá)、衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)需統(tǒng)一格式傳統(tǒng)數(shù)值模型統(tǒng)計(jì)模型機(jī)器學(xué)習(xí)方法數(shù)據(jù)融合的挑戰(zhàn)氣象事件需實(shí)時(shí)預(yù)測(cè),如臺(tái)風(fēng)路徑變化需每15分鐘更新一次實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的需求機(jī)器學(xué)習(xí)在氣象預(yù)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能捕捉臺(tái)風(fēng)眼墻結(jié)構(gòu)變化,如CNN在衛(wèi)星圖像中識(shí)別臺(tái)風(fēng)眼墻的準(zhǔn)確率達(dá)92%機(jī)器學(xué)習(xí)可融合多源數(shù)據(jù),如氣象雷達(dá)、衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅鳌@?,將歷史天氣數(shù)據(jù)與社交媒體情緒數(shù)據(jù)結(jié)合,預(yù)測(cè)城市級(jí)降雨時(shí),準(zhǔn)確率提升12%深度學(xué)習(xí)模型可在GPU上實(shí)現(xiàn)秒級(jí)預(yù)測(cè),如LSTM在短時(shí)(1小時(shí))風(fēng)速預(yù)測(cè)中,MAE僅為0.3m/s,優(yōu)于傳統(tǒng)方法的0.8m/s機(jī)器學(xué)習(xí)模型可自動(dòng)調(diào)整參數(shù),適應(yīng)不同氣象條件,如某研究中,LSTM在預(yù)測(cè)某地未來24小時(shí)溫度時(shí),MAPE為4%,優(yōu)于ARIMA的5%非線性建模數(shù)據(jù)融合實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)模型可提供可解釋的預(yù)測(cè)結(jié)果,如某研究中,通過SHAP解釋模型,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速和濕度特征對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)影響顯著可解釋性氣象預(yù)測(cè)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇全球氣象傳感器覆蓋率不足20%,如非洲大部分地區(qū)無雷達(dá)覆蓋,導(dǎo)致熱帶氣旋預(yù)測(cè)誤差超30%。需發(fā)展輕量級(jí)模型(如MobileNetV2)在低資源設(shè)備上運(yùn)行黑箱模型(如Transformer)在氣象領(lǐng)域難以解釋,如某公司臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)模型因無法解釋為何將路徑向東偏移5°被投訴。需結(jié)合SHAP和LIME提升透明度農(nóng)業(yè)需小時(shí)級(jí)降雨預(yù)測(cè)(如印度季風(fēng)預(yù)測(cè)),而能源需分鐘級(jí)負(fù)荷預(yù)測(cè)(如德國(guó)電網(wǎng))。需定制化模型,如聯(lián)邦學(xué)習(xí)在保護(hù)隱私的前提下實(shí)現(xiàn)多區(qū)域協(xié)同預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)未來50年氣候需計(jì)算量相當(dāng)于1000臺(tái)A100GPU連續(xù)運(yùn)行1000年。需發(fā)展更高效的模型(如稀疏注意力機(jī)制)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)模型可解釋性業(yè)務(wù)場(chǎng)景技術(shù)挑戰(zhàn)公眾對(duì)AI預(yù)測(cè)的信任度僅65%,因某次AI預(yù)測(cè)失誤導(dǎo)致恐慌。需加強(qiáng)科普和公眾參與(如開發(fā)可視化交互平臺(tái))社會(huì)挑戰(zhàn)02第二章氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理與特征工程數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要性實(shí)際案例:2023年某城市暴雨預(yù)警失敗,因傳感器數(shù)據(jù)存在15%的異常值(如某站點(diǎn)記錄到-50°C),導(dǎo)致模型誤判。數(shù)據(jù)清洗需去除離群點(diǎn),如使用Z-score方法識(shí)別并剔除3σ外的數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)范圍差異大,如溫度(-50~50°C)和濕度(0~100%)。Min-Max縮放將所有特征映射到[0,1]區(qū)間,如某研究中,縮放后LSTM模型在極端溫度預(yù)測(cè)中RMSE從12.5°C降至8.7°C氣象數(shù)據(jù)需按時(shí)間戳對(duì)齊,如衛(wèi)星數(shù)據(jù)每小時(shí)更新一次,而地面?zhèn)鞲衅髅?0分鐘更新一次。插值方法(如線性插值)可填補(bǔ)缺失值,某研究中插值后模型在干旱預(yù)測(cè)中AUC提升15%如某研究中,通過小波變換去除風(fēng)速數(shù)據(jù)中的高頻噪聲,使SVM模型在預(yù)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向時(shí),準(zhǔn)確率從70%提升至85%。需注意與氣象現(xiàn)象匹配的降噪方法數(shù)據(jù)清洗數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間對(duì)齊數(shù)據(jù)降噪如某研究中,通過旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星圖像使CNN模型在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)中AUC從0.75提升至0.82。需注意增強(qiáng)真實(shí)性(如旋轉(zhuǎn)角度需≤10°)數(shù)據(jù)增強(qiáng)數(shù)據(jù)清洗的具體方法氣象數(shù)據(jù)中常見缺失類型包括完全隨機(jī)缺失(如某傳感器因雷擊損壞)和可預(yù)測(cè)缺失(如夜間溫度傳感器自動(dòng)關(guān)閉)。多重插補(bǔ)法(如MICE)在缺失率超30%時(shí),預(yù)測(cè)誤差僅增加5%如使用IsolationForest識(shí)別溫度突變(如某地因儀器故障記錄到120°C),剔除后模型在熱浪預(yù)測(cè)中MAPE從18%降至5%。需結(jié)合業(yè)務(wù)知識(shí)判斷異常(如某地冬季出現(xiàn)35°C高溫)如某研究中,通過小波變換去除風(fēng)速數(shù)據(jù)中的高頻噪聲,使SVM模型在預(yù)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向時(shí),準(zhǔn)確率從70%提升至85%。需注意與氣象現(xiàn)象匹配的降噪方法如某研究中,通過旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星圖像使CNN模型在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)中AUC從0.75提升至0.82。需注意增強(qiáng)真實(shí)性(如旋轉(zhuǎn)角度需≤10°)缺失值處理異常值檢測(cè)數(shù)據(jù)降噪數(shù)據(jù)增強(qiáng)氣象數(shù)據(jù)需與業(yè)務(wù)場(chǎng)景同步,如某研究中,通過將氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)結(jié)合,使預(yù)測(cè)誤差從MAPE8%降至6%。需注意數(shù)據(jù)對(duì)齊(如氣象數(shù)據(jù)需按小時(shí)對(duì)齊電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)同步特征工程的關(guān)鍵技術(shù)如從原始溫度數(shù)據(jù)中提取滑動(dòng)窗口均值(如3小時(shí)滑動(dòng)平均溫度)和自回歸系數(shù)(如ARIMA系數(shù))。某研究中,添加滑動(dòng)平均特征后,GRU模型的預(yù)測(cè)誤差從RMSE3.2°C降至2.8°C氣象現(xiàn)象具有不同時(shí)間尺度,如短期雷暴(分鐘級(jí))和長(zhǎng)期季風(fēng)(月級(jí))。小波變換的多尺度分解可同時(shí)捕捉這兩種特征,某研究中多尺度特征使CNN模型在暴雨預(yù)測(cè)中F1-score提升10%如將降雨量與風(fēng)速結(jié)合為“風(fēng)致雨強(qiáng)指數(shù)”,某研究中該特征使邏輯回歸模型在洪澇預(yù)警中召回率從60%提升至75%。需結(jié)合氣象學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)特征如將氣象數(shù)據(jù)與社交媒體文本結(jié)合(如使用BERT提取“臺(tái)風(fēng)”相關(guān)情緒特征),使SVM模型在公眾疏散意愿預(yù)測(cè)中準(zhǔn)確率提升12%。需注意特征對(duì)齊(如將新聞分類到小時(shí)粒度)時(shí)序特征提取多尺度特征交叉特征文本特征如從衛(wèi)星圖像中提取臺(tái)風(fēng)眼墻紋理特征,某研究中,CNN在識(shí)別臺(tái)風(fēng)眼墻時(shí)IoU為0.82。需注意圖像分辨率(如某地雷達(dá)分辨率低至1km)圖像特征03第三章常用機(jī)器學(xué)習(xí)模型在氣象預(yù)測(cè)中的應(yīng)用回歸模型:線性回歸與SVR假設(shè)溫度變化與歷史溫度線性相關(guān)(如某地溫度T(t)=0.3T(t-1)+5),但實(shí)際氣象數(shù)據(jù)存在非線性(如2023年某地溫度突變)。簡(jiǎn)單線性回歸預(yù)測(cè)誤差達(dá)5°C,需增加多項(xiàng)式項(xiàng)或交互項(xiàng)通過核函數(shù)(如RBF)映射到高維空間,處理非線性關(guān)系。某研究中,SVR在預(yù)測(cè)某地未來3天溫度時(shí),RMSE為1.2°C,優(yōu)于線性回歸的1.8°C。但需調(diào)優(yōu)超參數(shù)C和γ(如使用網(wǎng)格搜索)某公司使用SVR預(yù)測(cè)電力負(fù)荷,結(jié)合溫度和日照特征,使預(yù)測(cè)誤差從MAPE8%降至5%。但需注意SVR對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算成本高(如百萬級(jí)樣本需GPU加速)線性回歸適用于線性關(guān)系明顯的氣象數(shù)據(jù),如溫度預(yù)測(cè)。SVR適用于非線性關(guān)系明顯的氣象數(shù)據(jù),如降雨量預(yù)測(cè)。需根據(jù)具體場(chǎng)景選擇模型線性回歸支持向量回歸(SVR)實(shí)際應(yīng)用模型比較SVR的超參數(shù)C和γ需根據(jù)數(shù)據(jù)集調(diào)優(yōu),如使用網(wǎng)格搜索,結(jié)合交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)參數(shù)。線性回歸的系數(shù)需使用正規(guī)化方法(如嶺回歸)避免過擬合參數(shù)調(diào)優(yōu)分類模型:邏輯回歸與隨機(jī)森林用于分類氣象事件(如是否暴雨)。某研究中,邏輯回歸在預(yù)測(cè)某地未來6小時(shí)暴雨概率時(shí),AUC為0.75。但無法捕捉臺(tái)風(fēng)路徑的連續(xù)性(如某地臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向)通過集成多棵決策樹處理非線性關(guān)系。某研究中,RF在預(yù)測(cè)某地未來24小時(shí)降雨量等級(jí)(無、小雨、中雨、大雨)時(shí),F(xiàn)1-score為0.82。但需處理過擬合(如設(shè)置max_depth=10)某保險(xiǎn)公司使用RF預(yù)測(cè)洪水風(fēng)險(xiǎn),結(jié)合地形和降雨特征,使預(yù)測(cè)精度提升20%。需注意特征重要性排序(如使用GiniImportance)邏輯回歸適用于二分類問題(如是否暴雨),隨機(jī)森林適用于多分類問題(如降雨量等級(jí))。需根據(jù)具體場(chǎng)景選擇模型邏輯回歸隨機(jī)森林實(shí)際應(yīng)用模型比較隨機(jī)森林的參數(shù)包括n_estimators、max_depth等,需使用網(wǎng)格搜索或隨機(jī)搜索選擇最優(yōu)參數(shù)。邏輯回歸的參數(shù)包括C,需使用交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)參數(shù)參數(shù)調(diào)優(yōu)時(shí)序模型:ARIMA與LSTM基于自回歸和移動(dòng)平均,適用于平穩(wěn)時(shí)序數(shù)據(jù)。某研究中,ARIMA在預(yù)測(cè)某地未來3小時(shí)溫度時(shí),MAPE為5%。但無法處理非平穩(wěn)數(shù)據(jù)(如某地溫度趨勢(shì)變化)通過門控機(jī)制捕捉長(zhǎng)期依賴。某研究中,LSTM在預(yù)測(cè)某地未來12小時(shí)降雨量時(shí),RMSE為0.15mm,優(yōu)于ARIMA的0.25mm。但需大量數(shù)據(jù)(如至少1000小時(shí)樣本)某研究使用LSTM預(yù)測(cè)某地未來7天空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),結(jié)合PM2.5和風(fēng)向特征,使預(yù)測(cè)誤差從RMSE35降至25。需注意訓(xùn)練時(shí)間(如雙向LSTM需72小時(shí))ARIMA適用于平穩(wěn)時(shí)序數(shù)據(jù),LSTM適用于非平穩(wěn)時(shí)序數(shù)據(jù)。需根據(jù)具體場(chǎng)景選擇模型ARIMALSTM實(shí)際應(yīng)用模型比較LSTM的參數(shù)包括batch_size、learning_rate等,需使用交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)參數(shù)。ARIMA的參數(shù)包括p、q、d,需使用時(shí)間序列分解選擇最優(yōu)參數(shù)參數(shù)調(diào)優(yōu)04第四章氣象預(yù)測(cè)的評(píng)估與優(yōu)化評(píng)估指標(biāo)的選擇均方誤差(MSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)。某研究中,RMSE在溫度預(yù)測(cè)中優(yōu)于MAE,因極端溫度(如某地記錄到-25°C)會(huì)放大誤差。需結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇(如農(nóng)業(yè)需關(guān)注MAE)準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1-score。某研究中,F(xiàn)1-score在暴雨預(yù)測(cè)中優(yōu)于準(zhǔn)確率,因某地暴雨樣本率僅10%,高準(zhǔn)確率會(huì)掩蓋低召回率。需注意數(shù)據(jù)不平衡(如使用SMOTE過采樣)某公司使用RMSE+MAPE雙指標(biāo)評(píng)估電力負(fù)荷預(yù)測(cè),使模型在尖峰時(shí)段(如下午2點(diǎn))誤差控制在±5%以內(nèi)。需注意指標(biāo)組合的互補(bǔ)性(如RMSE捕捉大誤差,MAPE捕捉小誤差)回歸任務(wù):RMSE、MAE、R2。分類任務(wù):準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1-score。需根據(jù)具體場(chǎng)景選擇指標(biāo)回歸任務(wù)分類任務(wù)實(shí)際應(yīng)用指標(biāo)選擇回歸任務(wù):RMSE=√(1/n)*Σ(y_pred-y_true)^2。分類任務(wù):F1-score=2*precision*recall/(precision+recall)。需注意指標(biāo)計(jì)算方法指標(biāo)計(jì)算超參數(shù)調(diào)優(yōu)的方法窮舉所有超參數(shù)組合。某研究中,網(wǎng)格搜索在LSTM模型中找到最優(yōu)學(xué)習(xí)率0.001(對(duì)比0.01和0.0005),使預(yù)測(cè)誤差降低10%。但計(jì)算成本高(如需訓(xùn)練50次模型)在超參數(shù)空間隨機(jī)采樣。某研究中,隨機(jī)搜索在XGBoost模型中找到最優(yōu)n_estimators=200(對(duì)比網(wǎng)格搜索的250),使訓(xùn)練時(shí)間縮短40%。適用于高維度參數(shù)空間通過代理模型預(yù)測(cè)最優(yōu)超參數(shù)。某研究中,貝葉斯優(yōu)化在CNN模型中找到最優(yōu)batch_size=32(對(duì)比網(wǎng)格搜索的64),使收斂速度提升25%。但需安裝專用庫(kù)(如scikit-optimize)回歸任務(wù):學(xué)習(xí)率、正則化強(qiáng)度。分類任務(wù):n_estimators、max_depth。需根據(jù)數(shù)據(jù)集選擇超參數(shù)網(wǎng)格搜索隨機(jī)搜索貝葉斯優(yōu)化超參數(shù)選擇網(wǎng)格搜索、隨機(jī)搜索、貝葉斯優(yōu)化。需根據(jù)計(jì)算資源選擇調(diào)優(yōu)工具調(diào)優(yōu)工具正則化與模型壓縮防止過擬合。某研究中,L2正則化在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)中使測(cè)試誤差從RMSE6.5°C降至6.0°C。需注意λ值選擇(如使用K折交叉驗(yàn)證)隨機(jī)丟棄神經(jīng)元,某研究中,Dropout在LSTM模型中使驗(yàn)證集AUC從0.78提升至0.82。但需注意訓(xùn)練時(shí)間(如需額外100次迭代)去除冗余連接。某研究中,剪枝后的CNN模型在預(yù)測(cè)某地溫度時(shí),參數(shù)量減少60%,推理速度提升30%。但需注意精度損失(如剪枝后誤差增加5%)正則化與模型剪枝。需注意計(jì)算資源限制(如GPU顯存)L1/L2正則化Dropout模型剪枝模型壓縮正則化方法:L1/L2正則化、Dropout。模型壓縮:模型剪枝、量化。需根據(jù)模型特點(diǎn)選擇優(yōu)化方法優(yōu)化方法05第五章氣象預(yù)測(cè)的深度學(xué)習(xí)模型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的應(yīng)用CNN在臺(tái)風(fēng)眼墻識(shí)別中準(zhǔn)確率達(dá)92%。某研究中,ResNet50在識(shí)別臺(tái)風(fēng)眼墻時(shí)IoU為0.82。但需處理圖像分辨率(如某地雷達(dá)分辨率低至1km)CNN通過局部感受野捕捉熱力圖特征。某研究中,CNN在預(yù)測(cè)某地未來3小時(shí)溫度場(chǎng)時(shí),RMSE為1.5°C,優(yōu)于RNN的2.0°C。但需注意GPU顯存(如單張32×32熱力圖需256MB顯存)某平臺(tái)通過CNN預(yù)測(cè)城市熱島邊界,結(jié)合建筑物高度和植被數(shù)據(jù),使預(yù)測(cè)精度提升20%。需注意多尺度特征(如使用Inception模塊)CNN適用于圖像特征提取,RNN適用于時(shí)序特征提取。需根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇模型衛(wèi)星圖像分類溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用模型比較CNN的參數(shù)包括kernel_size、stride。需使用交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)參數(shù)參數(shù)調(diào)優(yōu)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)的應(yīng)用RNN通過記憶單元捕捉時(shí)序依賴。某研究中,LSTM在預(yù)測(cè)某地未來24小時(shí)溫度時(shí),MAPE為4%,優(yōu)于ARIMA的5%。但需注意梯度消失(如使用GRU替代LSTM)RNN在預(yù)測(cè)某地未來6小時(shí)降雨量時(shí),RMSE為0.2mm,優(yōu)于CNN的0.3mm。但需注意數(shù)據(jù)填充(如使用雙向RNN結(jié)合過去和未來信息)某研究使用RNN預(yù)測(cè)某地未來7天空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI),結(jié)合PM2.5和風(fēng)向特征,使預(yù)測(cè)誤差從RMSE35降至25。需注意訓(xùn)練時(shí)間(如雙向LSTM需72小時(shí))RNN適用于時(shí)序數(shù)據(jù),CNN適用于圖像數(shù)據(jù)。需根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇模型溫度序列預(yù)測(cè)降雨量時(shí)間序列實(shí)際應(yīng)用模型比較RNN的參數(shù)包括embedding_size、hidden_size。需使用交叉驗(yàn)證選擇最優(yōu)參數(shù)參數(shù)調(diào)優(yōu)Transformer模型的應(yīng)用Transformer通過自注意力機(jī)制捕捉超長(zhǎng)時(shí)序關(guān)系。某研究中,Transformer在預(yù)測(cè)某地未來14天溫度時(shí),RMSE為2.1°C,優(yōu)于LSTM的2.5°C。但需注意氣象數(shù)據(jù)稀疏性(如某地傳感器密度低至1/100km2)Transformer可同時(shí)處理文本(如天氣預(yù)報(bào))和數(shù)值數(shù)據(jù)。某研究中,Transformer在融合溫度和新聞情緒數(shù)據(jù)時(shí),預(yù)測(cè)精度提升15%。但需注意特征對(duì)齊(如將新聞分類到小時(shí)粒度)某研究使用Transformer預(yù)測(cè)某地未來30天極端
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