Accurate marine wind forecasts are essential for safe navigation, ship routing, and energy operations, yet they remain challenging because observations over the ocean are sparse, heterogeneous, and temporally variable. We reformulate wind forecasting as observation-informed correction of a global numerical weather prediction (NWP) model. Rather than forecasting winds directly, we learn local correction patterns by assimilating the latest in-situ observations to adjust the Global Forecast System (GFS) output. We propose a transformer-based deep learning architecture that (i) handles irregular and time-varying observation sets through masking and set-based attention mechanisms, (ii) conditions predictions on recent observation-forecast pairs via cross-attention, and (iii) employs cyclical time embeddings and coordinate-aware location representations to enable single-pass inference at arbitrary spatial coordinates. We evaluate our model over the Atlantic Ocean using observations from the International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set (ICOADS) as reference. The model reduces GFS 10-meter wind RMSE at all lead times up to 48 hours, achieving 45% improvement at 1-hour lead time and 13% improvement at 48-hour lead time. Spatial analyses reveal the most persistent improvements along coastlines and shipping routes, where observations are most abundant. The tokenized architecture naturally accommodates heterogeneous observing platforms (ships, buoys, tide gauges, and coastal stations) and produces both site-specific predictions and basin-scale gridded products in a single forward pass. These results demonstrate a practical, low-latency post-processing approach that complements NWP by learning to correct systematic forecast errors.


翻译:准确的海洋风场预报对于安全航行、船舶航线规划及能源作业至关重要,但由于海洋上空观测数据稀疏、异质且随时间变化,此类预报仍具挑战性。本研究将风场预报重新定义为对全球数值天气预报(NWP)模型进行观测信息驱动的修正。我们并非直接预测风场,而是通过同化最新的现场观测数据来调整全球预报系统(GFS)的输出,从而学习局部修正模式。我们提出了一种基于Transformer的深度学习架构,该架构(i)通过掩码机制和基于集合的注意力机制处理不规则且时变的观测数据集;(ii)利用交叉注意力将近期观测-预报对作为预测条件;(iii)采用循环时间嵌入和坐标感知的位置表征,实现在任意空间坐标上的单次推理。我们使用国际综合海洋-大气数据集(ICOADS)的观测数据作为参考,在大西洋区域评估了模型性能。该模型在所有48小时内的预报时效上均降低了GFS 10米风场的均方根误差,其中1小时预报时效提升45%,48小时预报时效提升13%。空间分析表明,在观测数据最丰富的海岸线和航运路线区域改进最为持续。这种令牌化架构天然兼容异构观测平台(船舶、浮标、潮汐测量站和海岸站点),并能在单次前向传播中同时生成站点特异性预测和流域尺度网格化产品。这些结果证明了一种实用、低延迟的后处理方法,通过学习修正系统性预报误差,对数值天气预报形成了有效补充。

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