A new method for predicting precipitation δ 18 O distribution based on deep learning and spatio-temporal clustering

聚类分析 降水 分布(数学) 人工智能 深度学习 计算机科学 模式识别(心理学) 地理 数学 气象学 数学分析
作者
Yang Li,Siyuan Huo,Bin Ma,Bingbing Pei,Qiankun Tan,Qing Guo,Deane Wang,Longbiao Yu
出处
期刊:Hydrological Sciences Journal-journal Des Sciences Hydrologiques [Taylor & Francis]
卷期号:69 (11): 1449-1467
标识
DOI:10.1080/02626667.2024.2375403
摘要

Predicting precipitation δ18O accurately is crucial for understanding water cycles, paleoclimates, and hydrological applications. Yet, forecasting its spatio-temporal distribution remains challenging due to complex climate interactions and extreme events. We developed a method combining spatio-temporal clustering and deep learning neural networks to improve multi-site, multi-year precipitation δ18O predictions. Using a comprehensive dataset from 33 German sites (1978-2012), our model considers precipitation δ18O and its controlling factors, including precipitation and temperature distribution. We applied the K-means++ method for classification and divided data into training and prediction sets. The CNN (Convolutional Neural Network) model extracted spatial features, while the Bi-LSTM (Bi-directional Long Short-Term Memory) model focused on temporal features. Spatio-temporal clustering using K-means++ improved forecast accuracy and reduced errors. This study highlights the potential of deep learning and clustering techniques for forecasting complex spatio-temporal data and offers insights for future research on isotope distributions.
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