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MATLAB实现基于VMD-CNN1D变分模态分解（VMD）结合一维卷积神经网络（CNN1D）进行中短期天气预测的详细项目实例 1
项目背景介绍 1
项目目标与意义 2
提升中短期温度预测精度 2
强化模型稳定性与可解释性 2
缩短建模与部署周期 2
适配多源异构数据 2
面向业务的时效保障 3
降低全生命周期成本 3
支撑极端事件研判 3
项目挑战及解决方案 3
非平稳与噪声叠加 3
模态数与参数寻优 3
样本稀疏与外推不确定性 3
计算效率与时效 4
多源对齐与缺测处理 4
线上监控与回滚 4
项目模型架构 4
数据接入与预处理层 4
变分模态分解层 4
样本构造与通道拼接层 4
CNN1D特征提取与回归头 5
训练、验证与早停机制 5
推理与后处理 5
监控、日志与可解释分析 5
项目模型描述及代码示例 5
环境与依赖检查 5
数据读取与标准化 6
VMD分解函数与调用 6
vmd_1d函数（紧凑实现，频域ADMM） 7
滑动窗口样本构造 10
CNN1D网络搭建 11
推理、反标准化与评估 12
增量滚动预测与结果导出 13
项目应用领域 13
电力负荷与能源调度 13
交通出行与道路管养 14
农业气象与精准灌溉 14
城市运行与建筑节能 14
公共卫生与极端事件应对 14
项目特点与创新 14
分解–学习一体化 14
轻量化卷积与增量推理 15
频带可解释诊断 15
多源异构融合 15
自适应阈值与告警 15
端到端自动化寻优 15
兼容可替换后端 15
工程化度量体系 15
项目应该注意事项 16
数据质量与一致性 16
VMD参数选择 16
样本构造与标签设计 16
训练稳定性与泛化 16
上线监控与故障处理 16
项目模型算法流程图 16
项目数据生成具体代码实现 17
项目目录结构设计及各模块功能说明 19
项目目录结构设计 19
各模块功能说明 20
项目部署与应用 21
系统架构设计 21
部署平台与环境准备 21
模型加载与优化 21
实时数据流处理 21
可视化与用户界面 21
GPU/TPU加速推理 22
系统监控与自动化管理 22
自动化CI/CD管道 22
API服务与业务集成 22
安全性与隐私 22
故障恢复与系统备份 22
模型更新与持续优化 22
项目未来改进方向 23
引入时变VMD与自适应K 23
多任务与多目标联合预测 23
物理引导的混合建模 23
不确定性量化与决策推荐 23
轻量化与边缘部署 23
项目总结与结论 23
程序设计思路和具体代码实现 24
第一阶段：环境准备 24
清空环境变量 24
关闭报警信息 25
关闭开启的图窗 25
清空变量 25
清空命令行 25
检查环境所需的工具箱 25
检查并自动安装缺失的工具箱（本地离线包方式） 25
配置GPU加速 26
第二阶段：数据准备 27
数据导入和导出功能 27
文本处理与数据窗口化 27
数据处理功能（填补缺失值和异常值的检测和处理功能） 28
数据分析（平滑异常数据、归一化和标准化等） 28
特征提取与序列创建（VMD分解+拼接外生特征） 29
划分训练集和测试集（含窗口化） 29
参数设置 29
第三阶段：算法设计和模型构建及参数调整 30
算法设计和模型构建 30
优化超参数（Bayesian优化框架示例，可按需调整迭代次数） 30
防止过拟合与超参数调整（选用三种方法：L2正则化、早停、数据扩增与噪声注入） 31
第四阶段：模型训练与预测 32
设定训练选项 32
模型训练 33
用训练好的模型进行预测 33
保存预测结果与置信区间 33
第五阶段：模型性能评估 34
多指标评估（MSE、VaR、ES、R2、MAE、MAPE、MBE等） 34
设计绘制训练、验证和测试阶段的实际值与预测值对比图 34
设计绘制误差热图 35
设计绘制残差分布图 35
设计绘制预测性能指标柱状图 35
第六阶段：精美GUI界面 35
完整代码整合封装 43
结束 49
气象时间序列包含多尺度、强噪声、非平稳等特征，导致常规统计模型在短期和中期温度、湿度、风速等关键变量的预测中精度受限。近年来，变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）因能够在变分框架内自适应地将信号分解为有限个具有紧支撑带宽的本征模态（IMF），在噪声抑制、模式分离与多尺度表征方面展现出优点；一维卷积神经网络（CNN1D）在时间依赖建模中凭借局部感受野、权值共享与层级特征表达能力，能有效捕获短程与中程的时序结构。将VMD与CNN1D进行有机耦合，通过先分解再学习的“降噪+特征提炼”范式，可在复杂背景下实现更稳健的中短期天气预测。
在生产级应用场景，预报对象既包括温度、相对湿度、风速、风向角度序列，也可能嵌入地理海拔、陆面类型、邻站数据、卫星反演指数等多源特征。原始数据常存在缺测、尺度不一致、节律性改变与突发性扰动（锋面过境、降水触发）等问题；常规滤波难以在不破坏关键动力学结构的同时抑制噪声， ...
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