A Deep Learning Approach to Improve the Retrieval of Temperature and Humidity Profiles From a Ground-Based Microwave Radiometer

遥感 无线电探空仪 辐射计 人工神经网络 环境科学 过度拟合 随机森林 人工智能 反向传播 计算机科学 气象学 机器学习 地质学 物理
作者
Xing Yan,Liang Chen,Yize Jiang,Nana Luo,Zhou Zang,Zhanqing Li
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:58 (12): 8427-8437 被引量:62
标识
DOI:10.1109/tgrs.2020.2987896
摘要

The ground-based microwave radiometer (MWR) retrieves atmospheric profiles with a high temporal resolution for temperature and humidity up to a height of 10 km. Such profiles are critical for understanding the evolution of climate systems. To improve the accuracy of profile retrieval in MWR, we developed a deep learning approach called batch normalization and robust neural network (BRNN). In contrast to the traditional backpropagation neural network (BPNN), which has previously been applied for MWR profile retrieval, BRNN reduces overfitting and has a greater capacity to describe nonlinear relationships between MWR measurements and atmospheric structure information. Validation of BRNN with the radiosonde demonstrates a good retrieval capability, showing a root-mean-square error of 1.70 K for temperature, 11.72% for relative humidity (RH), and 0.256 g/m 3 for water vapor density. A detailed comparison with various inversion methods (BPNN, extreme gradient boosting, support vector machine, ridge regression, and random forest) has also been conducted in this research, using the same training and test data sets. From the comparison, we demonstrated that BRNN significantly improves retrieval accuracy, particularly for the retrieval of temperature and RH near the surface.
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