Python AI气象应用全攻略：从理论到实操，轻松掌握！

Python是功能强大、免费、开源，实现面向对象的编程语言，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，这些优势使得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。

帮助气象和海洋等地学领域的从业人员更加系统地学习Python在人工智能领域的应用，掌握Python实操基础和机器学习与深度学习的理论基础，并进一步实战学习机器学习和深度学习在气象领域的具体案例。采用 “理论讲解+动手实操+案例实战”相结合的方式，深入浅出讲解Python在气象领域的人工智能应用。不仅能够掌握Python编程技巧和机器学习和深度学习的相关经验，更能够将所学在专业领域进一步应用。

专题一 Python和科学计算基础

1.Python入门和安装
①Python背景及其在气象中的应用
②Anaconda解释和安装以及Jupyter配置
③Python基础语法

2.科学数据处理基础库
①Numpy库
②Pandas库
③Scipy库
④Matplotlib和Cartopy库
⑤常用数据格式的IO

掌握基于Anaconda配置python环境，以及使用Jupyterlab开发和调试代码。在了解了python的基础语法后，学习常用的科学计算和可视化库，如Numpy、Pandas和Matplotlib等。打好基础，机器学习数据预处理和结果展示将手到擒来。

专题二 机器学习和深度学习基础理论和实操

1.机器学习和深度学习基础理论

①机器学习基本理论
基础学习的基本知识，如误差反向传播、梯度下降法，以及机器学习的整个常规流程。

②深度学习基本理论
深度学习基本理论，如卷积神经网络CNN、循环神经网络RNN和生成式对抗网络。

③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，以及深度学习降尺度和PINN内嵌物理神经网络介绍。

2.sklearn和pytorch库

①sklearn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。

②pytorch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。

专题三 气象领域中的机器学习应用实例

1.GFS数值模式的风速预报订正

①随机森林挑选重要特征
②K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

2.台风预报数据智能订正

①CMA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
③XGBoost模型订正台风预报
④台风“烟花”预报效果检验

3.机器学习预测风电场的风功率

①lightGBM模型预测风功率
②调参利器—网格搜索GridSearch于K折验证

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。

专题四 气象领域中的深度学习应用实例

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

2.LSTM方法预测ENSO

①ENSO简介及数据介绍
②LSTM方法原理介绍
③LSTM方法预测气象序列数据

3.深度学习—卷积网络

①卷积神经网络介绍
②Unet进行雷达回波的预测

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。

注：请提前自备电脑及安装所需软件

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