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Advancing Realistic Precipitation Nowcasting With a Spatiotemporal Transformer-Based Denoising Diffusion Model

临近预报 计算机科学 采样(信号处理) 机器学习 人工智能 数据挖掘 气象学 地理 计算机视觉 滤波器(信号处理)
作者
Zewei Zhao,Xichao Dong,Yupei Wang,Cheng Hu
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-15 被引量:23
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3355755
摘要

Recent advances in deep learning have significantly improved the quality of precipitation nowcasting. Current approaches are either based on deterministic or generative models. Deterministic models perceive nowcasting as a spatiotemporal prediction task, relying on distance functions like L2-norm loss for training. While improving meteorological evaluation metrics, they inevitably produce blurry predictions with no reference value. In contrast, generative models aim to capture realistic precipitation distributions and generate nowcasting products by sampling within these distributions. However, designing a generative model that produces realistic samples satisfying meteorological evaluation indexes in real-time remains challenging, given the triple dilemma of generative learning: achieving high sample quality, mode coverage, and fast sampling simultaneously. Recently, diffusion models exhibit impressive sample quality but suffer from time-consuming sampling, severely hindering their application in nowcasting. Moreover, samples generated by the U-Net denoiser of current denoising diffusion model are prone to yield poor meteorological evaluation metrics such as CSI. To this end, we propose a spatiotemporal Transformer-based conditional diffusion model with rapid diffusion strategy. Concretely, we incorporate an adversarial mapping-based rapid diffusion strategy to overcome the time-consuming sampling process for standard diffusion models, enabling timely nowcasting. Additionally, a meticulously designed spatiotemporal Transformer-based denoiser is incorporated into diffusion models, remedying the defects in U-Net denoisers by estimating diffusion scores and improving nowcasting skill scores. Case studies of typical weather events such as thunderstorms, as well as quantitative indicators, demonstrate the effectiveness of the proposed method in generating sharper and more precise precipitation forecasts while maintaining satisfied meteorological evaluation metrics.
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