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Geosci. Front. | 基于物理引导深度学习的全球海表温度预测:多时间尺度下精度与稳定性的平衡

Geoscience Frontiers • 5 月前 • 200 次点击  

研究亮点


  • SSTFormer在日/月尺度上均表现出优于基准模型的预测精度。
  • 模型能同时捕捉海温快速变化并保持动态区域梯度特征。
  • 对ENSO不同相位及极端增温事件均可实现高保真模拟。
  • 洋流数据显著提升1~6天预报准确度,改进幅度达0.20°C。

          关键词


          图片
          图片

          全球海表温度预测

          深度学习

          SSTFormer

          物理引导

          洋流信息

          多尺度预测

          文章摘要
          实现跨时间尺度的高精度海表面温度(SST)预测,仍是一项挑战。日尺度预测常依赖于自回归模型,易出现结果不稳定与过度平滑;月尺度预测则受限于数据稀疏性与复杂的海洋系统动力学。现有深度学习方法难以同时应对这些多样化的挑战。 作者提出了SSTFormer,一个新型物理引导深度学习框架,其在预测精度上取得领先表现:日尺度预测均方根误差为0.17 °C,月尺度预测为0.60 °C,不仅偏差更低,空间一致性也得到显著提升。该模型的核心创新在于其统一且灵活的架构:在多步日尺度预测(1~15天)中,它以双阶段序列集成模式运行,替代了传统的自回归方法,并利用洋流信息解决不稳定性问题、减轻误差累积。在单步月尺度预测中,它采用直接预报配置,有效应对了数据稀疏复杂海洋动力学难题。SSTFormer证明了,单一架构通过灵活的部署方式,能够应对多尺度SST预测中的独特挑战,凸显了其作为一种统一、鲁棒框架的巨大潜力。
          1. (a) SSTFormer整合了在不同时间配置下训练的多个子模型预测结果,从而增强长期预测的鲁棒性。(b) 每个子模型采用共享的编码器- 解码器主干结构,并分别设置独立的海温预测分支和洋流信息处理分支。(c) 多级融合模块在特征提取的不同阶段,对海温特征与洋流特征进行综合集成。(d) SSTF模块基于注意力机制有效捕获时序依赖关系。(e) 移位窗口层通过滑动窗口机制实现自回归推理,确保输入与输出始终保持对齐关系。
          研究背景
          海表面温度(SST)是调节海气间能量、动量与水汽交换的关键气候变量,对天气预报、海洋生态保护及全球性气候现象(如ENSO)的监测具有重要意义。然而,实现跨时间尺度的高精度SST预测仍存在显著挑战。
          当前预测方法主要包括数值模式、数据驱动方法以及混合模式。数值模式计算成本高昂且往往对细节变化响应不足;现有深度学习方法在处理多时间尺度时通常难以兼顾——日尺度预测多依赖自回归模型,易出现“过度平滑”与结果不稳定的问题;月尺度预测则受限于数据稀疏性与复杂的海洋动力过程。此外,传统自回归框架容易导致误差不断累积,且难以充分捕捉由洋流、太阳辐射等因素引起的多尺度时空异质性。
          为应对上述挑战,本文提出一种名为SSTFormer的新型物理引导深度学习框架,旨在通过统一架构系统性应对多尺度SST预测中的关键难题。


          2. SSTFormer与基准模型的日预测性能对比。(a) 2019-20231天预报的全球平均均方根误差时间演变。(b) 2019-20231天预报的全球平均绝对偏差时间演变。(c) 四个模型在1~15天预报时效上的均方根误差性能。(d) (a),但为15天预报。(e)  (b),但为15天预报。

          研究方法及结果
          为实现跨时间尺度的高精度SST预测,本文设计了具有统一且灵活架构的SSTFormer框架,通过物理引导机制将洋流信息(OCI)融入深度学习网络。通过与现行主流模型(如TCN, ConvLSTM, Swin Transformer等)的对比,主要得出以下结论:
          (1)提出创新的双阶段序列集成策略,有效缓解了长时序预测中的不稳定问题。在1~15天的日尺度预测任务中,SSTFormer采用独特的双阶段架构:在前期(1~6天)引入洋流信息(OCI)作为物理约束,保障短期动力学一致性;在后期(7~15天)则屏蔽OCI,完全依赖模型学习到的时空表征。实验表明,该策略显著抑制了传统自回归模型的误差累积与漂移现象,15天预测的RMSE低至0.74 °C,明显优于ConvGRU等基准模型(1.06 °C)。
          (2)在统一架构下实现灵活部署,并在月度气候预测中表现突出。针对数据相对稀疏的月尺度预测,SSTFormer采用直接预报配置。2019–2022年测试结果显示,该模型能准确刻画大尺度气候模态,在Niño 3.4区域的相关系数达到0.97,空间模式相关性(SPC)均值稳定在0.94,印证了其捕捉低频气候信号的优势。
          (3)通过基于物理可解释性的消融实验,量化了洋流信息的关键贡献。研究发现,洋流信息对海温(SST)预测的影响主要集中于西边界流(如黑潮、湾流)与赤道流系。实验进一步表明,若全程引入洋流信息,长期预测会出现冷偏差;而将洋流信息限制于前6天,则能在物理真实性与长期稳定性之间取得最佳平衡。该自适应融合策略使模型在保持高分辨率空间特征的同时,避免了过度平滑问题。
          (4)在极端气候事件中表现出更强的鲁棒性与空间一致性。以20224月亚洲极端暖事件为例,SSTFormer在全球范围内展现出较小的空间偏差,尤其在极地与边缘海域,有效抑制了基准模型中常见的棋盘格伪影和边界拼缝效应。其RMSE在日尺度预测(0.17 °C)和月尺度预测(0.60 °C)上均达到领先水平。


          3. SSTFormer与基准模型在15天日尺度预报和1个月月尺度预报上的空间性能对比。第一幅子图展示了SSTFormer 的绝对误差分布作为参考。对于所有基准模型,标有“差异”的子图表示其相对于SSTFormer的性能差异。

          研究结论
          SSTFormer框架通过创新设计,构建了一套融合物理先验的统一海温预测方案,有助于缓解传统模型在多尺度预测中面临的瓶颈。该框架采用的双阶段序列集成物理引导策略,不仅能够减轻长时序预测中常见的误差累积与过度平滑问题,还在数据有限条件下较有效地捕捉了ENSO等复杂低频气候模态。实验表明,在高频的日尺度动力过程及区域性极端气候异常的刻画中,SSTFormer表现出相较于现有主流模型更好的鲁棒性、空间一致性以及较低的偏差。随着其物理合理性与计算效率得到进一步验证,该模型有望为业务化海洋预报及气候变化研究提供有潜力的技术支撑,并值得在更广泛的数据驱动型地球系统预测任务中探索应用。


          4. SSTFormer模型揭示的洋流信息在全球海表温度预测中的作用。 (a) 对于图例所示日期(第1天~第10天)之前使用洋流信息、之后被屏蔽的实验,全球平均均方根误差随预报时效的变化。(b–c) (a),但为两个西边界流区域的平均值:(b)墨西哥湾流区域(区域130°N–60°N, 90°W–30°W)和(c)黑潮区域(区域230°N–60°N,120°E–180°E)。(d) 洋流贡献的全球分布图。主图说明了洋流对海温预测的相对影响,黑框标出了墨西哥湾流和黑潮区域。底部插图提供了这两个关键区域(区域1和区域2)的放大视图。


          5. (a)区域1的海表温度空间分布:2019716日的真实观测值分布;SSTFormer 预测的2019716日分布;以及其他基准模型对2019716日的预测。 (b) (a),但为区域2


          6. SSTFormerNiño3.4区域的ENSO预测技巧。(a) 上图展示了厄尔尼诺与拉尼娜现象的时间序列。红色区域表示厄尔尼诺事件,蓝色区域表示拉尼娜事件。红线和蓝线分别代表Niño3.4指数的0.5-0.5阈值,灰色条柱显示观测到的Niño 3.4指数,时间跨度为2019 1月至202212月。下图表示Niño 3.4区域的海表温度异常时间序列,对比了观测到的海温异常(黑线)和SSTFormer预测的海温异常(绿线)。相关技能为0.97,表示预测与Niño 3.4指数之间的相关性。(b) Niño 3.4区域内预测与观测的海温异常场之间的空间模式相关。(c)预测与观测的Niño 3.4海温异常之间的超前-滞后相关,其中正滞后表示观测领先于预测,负滞后表示预测领先于观测。(d)Niño 3.4区域海温异常的均方根误差空间分布。


           7. 20224月海表温度预测偏差的空间分布。左列子图:两个区域的区域偏差,包括北大西洋副极地区(50°N–70°N, 15°W–15°E)和南半球中纬度地区(30°S–50°S, 15°W–15°E)。中间列子图:以亚洲为中心的全球偏差分布,突出显示了区域异常。右列子图:北半球的极射赤面投影视图。




          原文信息

          Physics-guided deep learning for global sea surface temperature forecasting: Balancing accuracy and stability across timescales

          基于物理引导深度学习的全球海表温度预测:多时间尺度下精度与稳定性的平衡

          Shiji Donga, Yan LiaXiaobin Yina,b,c,*, Qing Xu  a,b,c, Peng Maoa

          Faculty of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China.

          bLaoshan laboratory, Qingdao 266237, China.

          c SANYA Oceanographic Laboratory, Sanya 572024, China.

          https://doi.org/10.1016/j.gsf.2026.102255

              Accurate sea surface temperature (SST) forecasting across multiple timescales remains challenging. Daily forecasting frequently relies on autoregressive models prone to instability and over-smoothing, whereas monthly forecasting suffers from sparse data and the complex dynamics of ocean systems. Existing deep learning methods struggle to address these diverse challenges simultaneously. We introduce SSTFormer, a novel physics-guided deep learning framework that achieves leading results, with root mean squared error of 0.17 °C for daily forecasts and 0.60 °C for monthly forecasts, yielding lower bias and improved spatial coherence. The models core innovation is its unified and flexible architecture. For multi-step daily forecasts (115 days), it deploys as a two-phase sequential ensemble” that replaces conventional autoregression and uses ocean current to solve instability and mitigate error accumulation. For single-step monthly forecasts, it is used in a direct forecasting configuration, proving effective at handling sparse data” and complex ocean dynamics.” SSTFormer demonstrates how a single architecture, through flexible deployment, can address the unique challenges of multi-scale SST forecasting, highlighting its potential as a unified and robust framework.

          主办/《地学前缘(英文)》编辑部

          文字/殷晓斌

          版式编排/张培
          校审/王丽丽

          END






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