A Physics-Guided Attention-Based Neural Network for Sea Surface Temperature Prediction

海面温度 人工神经网络 计算机科学 遥感 物理 气象学 人工智能 地质学
作者
Benyun Shi,Liu Feng,Hailun He,Yingjian Hao,Yue Peng,Miao Liu,Yang Liu,Jiming Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-13 被引量:18
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3457039
摘要

Accurate prediction of sea surface temperature (SST) is crucial in the field of oceanography, as it has a significant impact on various physical, chemical, and biological processes in the marine environment. In this study, we propose a physics-guided attention-based neural network (PANN) to address the spatiotemporal SST prediction problem. The PANN model incorporates data-driven spatiotemporal convolution operations and the underlying physical dynamics of SSTs using a cross-attention mechanism. First, we construct a spatiotemporal convolution module (SCM) using convolutional long short-term memory (ConvLSTM) to capture the spatial and temporal correlations present in the time series of the SST data. We then introduce a physical constraint module (PCM) to mimic the transport dynamics in fluids based on data assimilation techniques used to solve partial differential equations (PDEs). Consequently, we employ an attention fusion module (AFM) to effectively combine the data-driven and PDE-constrained predictions obtained from the SCM and PCM, aiming at enhancing the accuracy of the predictions. To evaluate the performance of the proposed model, we conduct short-term SST forecasts in the East China Sea (ECS) with forecast lead times ranging from one to ten days, by comparing it with several state-of-the-art models, including ConvLSTM, PredRNN, temporal convolutional transformer network (TCTN), convolutional gated recurrent unit (ConvGRU), and SwinLSTM. The experimental results demonstrate that our proposed model outperforms these models in terms of multiple evaluation metrics for short-term predictions.
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