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Spatiotemporal wave forecast with transformer-based network: A case study for the northwestern Pacific Ocean

均方误差 有效波高 浮标 气象学 风浪 波高 环境科学 风浪模型 气候学 计算机科学 风速 地质学 数学 统计 地理 海洋学
作者
Yong Liu,Wenfang Lu,Dong Wang,Zhigang Lai,Chao Ying,Xinwen Li,Ying Han,Zhifeng Wang,Changming Dong
出处
期刊:Ocean Modelling [Elsevier BV]
卷期号:188: 102323-102323 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.ocemod.2024.102323
摘要

The forecast of ocean waves relies mostly on complex dynamic-based models, which are expensive in computation and demanding in professional skills to run. Diverse deep learning methods have been proposed to tackle this problem, yet the architecture of Transformer (i.e., the self-attention) was seldom tested for such a learning problem. To bridge this gap, we apply a state-of-the-art spatiotemporal attention network, the EarthFormer, and apply it for wave forecasting in the northwestern Pacific. To train and validate the EarthFormer, the fifth-generation atmospheric reanalysis dataset (ERA5) from the European Centre for Medium-Range Weather Forecast product with hourly resolution was adopted, with the sequence of wind as the input and the three key variables (i.e., significance wave height, mean wave period, and mean wave direction) of ocean waves as the output. The prediction can generate accurate wave forecasts up to 12 h ahead, with considerably low root-mean-squared error (RMSE). Overall, the predicted waves resulted in RMSE for the significance wave height of 0.22 m, for the mean wave period of 0.68 s, and for the mean wave direction of 0.28 rad. These wave height and wave period values are ∼13 % and ∼10 % of corresponding spatiotemporal mean values. The EarthFormer outperformed a popular spatiotemporal forecast network, the ConvLSTM, in our problem. For site-wise forecasts against buoy observations near Taiwan, the EarthFormer forecast also presents considerably high accuracy comparable to the ERA5 forecasts. This method can therefore provide an accurate and prompt way to forecast the large-scale distribution of waves to better model the marine dynamic and its climate effects, which could have a high potential for disaster prevention and climate modeling.
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