Recent deep learning approaches for river discharge forecasting have improved the accuracy and efficiency in flood forecasting, enabling more reliable early warning systems for risk management. Nevertheless, existing deep learning approaches in hydrology remain largely confined to local-scale applications and do not leverage the inherent spatial connections of bodies of water. Thus, there is a strong need for new deep learning methodologies that are capable of modeling spatio-temporal relations to improve river discharge and flood forecasting for scientific and operational applications. To address this, we present RiverMamba, a novel deep learning model that is pretrained with long-term reanalysis data and that can forecast global river discharge and floods on a $0.05^\circ$ grid up to $7$ days lead time, which is of high relevance in early warning. To achieve this, RiverMamba leverages efficient Mamba blocks that enable the model to capture spatio-temporal relations in very large river networks and enhance its forecast capability for longer lead times. The forecast blocks integrate ECMWF HRES meteorological forecasts, while accounting for their inaccuracies through spatio-temporal modeling. Our analysis demonstrates that RiverMamba provides reliable predictions of river discharge across various flood return periods, including extreme floods, and lead times, surpassing both AI- and physics-based models. The source code and datasets are publicly available at the project page https://hakamshams.github.io/RiverMamba.


翻译:近年来,深度学习方法在河流径流预测中的应用提升了洪水预报的精度与效率,为风险管理提供了更可靠的早期预警系统。然而,现有的水文学深度学习方法仍主要局限于局部尺度应用,未能充分利用水体固有的空间关联。因此,亟需能够建模时空关系的新型深度学习方法,以改进科学和业务应用中的河流径流与洪水预测。为此,我们提出RiverMamba——一种基于长期再分析数据预训练的新型深度学习模型,能够在$0.05^\circ$网格尺度上预测长达$7$天的全球河流径流与洪水,这对早期预警具有重要意义。为实现这一目标,RiverMamba采用高效的Mamba模块,使模型能够捕捉大型河网中的时空关系,并增强其对更长预见期的预测能力。预测模块整合了ECMWF HRES气象预报数据,并通过时空建模处理其不确定性。我们的分析表明,RiverMamba在不同洪水重现期(包括极端洪水)和预见期下均能提供可靠的河流径流预测,其性能超越了基于人工智能和物理机制的模型。源代码与数据集已在项目页面https://hakamshams.github.io/RiverMamba公开。

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