基于时空深度学习的土壤温度预测可解释性研究
批准号:
42105144
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李清亮
依托单位:
学科分类:
大气观测、遥感和探测技术与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李清亮
中文摘要
土壤温度是重要的陆面变量。其时空变化受多种环境因素影响,这给土壤温度的准确预测带来巨大挑战。以机器学习为核心的数据驱动方法,是土壤温度预测研究中的重要手段,也是对传统物理过程模型的重要补充。目前基于机器学习的预测模型和其可解释性仍存在诸多不足。为此,本项目提出一种可解释的时空深度学习模型,在加强土壤温度时空特征学习能力时,融入时空可解释组件,分析土壤温度预测模型的运作机制,进而为地面自动气象监测系统提供多种决策依据。本项目有望在基于机器学习的土壤温度预测模型、土壤温度的陆面过程模式参照等方面取得开拓性成果,对提高土壤温度预测能力,阐明土壤温度时空变化的物理机制有重要的科学价值。
英文摘要
Soil temperature is an important variable in the fields of Earth sciences. The temporal and spatial variation of soil temperature is affected by many factors, and it poses immense challenges for the soil temperature prediction. For soil temperature prediction, data-driven machine learning method is an important research, and it can be an important complement to physics-based process models. However, there are many shortcomings in predictive models and their interpretability. This project propose a interpretable spatiotemporal deep network model, and the research objectives are three respects mainly: enhancing the ability for capturing spatiotemporal context of soil temperature, improving the interpretability of soil temperature estimation by adding the temporal interpreting and spatial interpreting components, and providing the multifarious decision-making basis for automatic meteorological observing System. By the execution of the project, the machine learning predictive model and land surface hydrological model are expected to be achieved pioneering results, and provide an important scientific value for the improvement of machine learning predictive model and the interpretability of the physical mechanism of spatial and temporal changes in soil temperature.
随着信息技术的迅猛发展,机器学习等数据驱动模型在地球科学领域的应用已成为研究热点,并逐渐成为传统物理过程模型的重要补充。针对土壤温度和湿度预测中的“黑箱”问题及深度学习模型物理一致性不足的挑战,本项目开展了土壤温度与湿度预测模型的构建与优化,并深入探讨了模型物理一致性与知识融合的实现路径。研究内容包括土壤温度预测模型的构建与关键特征揭示、土壤湿度预测中的时空异质性与模型优化、模型物理一致性与知识融合的探索、基于“绿色”AI的陆面要素模拟基准构建、中国高分辨率土壤湿度产品的开发及符号回归方法创新与显性过程解析等。各研究内容相互关联,土壤温度预测模型为揭示土壤温度变化的关键特征提供理论支持,为进一步研究土壤湿度预测中的时空异质性奠定基础;土壤湿度预测模型的优化有效增强了模型的可解释性,推动了物理一致性研究的深入开展。基于“绿色”AI的陆面要素模拟基准构建和中国高分辨率土壤湿度产品的开发支持了上述研究的优化,且为符号回归方法创新与显性过程解析提供了理论支持。研究成果表明:1) 土壤温度预测模型表现优异,决定系数为0.88至0.96,均方根误差为6.09℃至12.53℃,显著优于传统模型;2) 土壤湿度预测模型在1至10天的预测范围内,决定系数提高了7.95%至19.71%;3) 物理引导的LSTM模型在Kling-Gupta效率、决定系数、均方根误差和相关系数等多项指标上均优于传统LSTM模型;4) LandBench 1.0数据集有效评估不同深度学习模型的性能,为气候变化研究、灾害管理和可持续发展提供科学依据;5) 高分辨率土壤湿度产品SMCI1.0在空间细节及与地形、植被的对应关系上表现出色,确保了时空模式研究的适用性;6) 项目成功开发了新的符号回归方法,从数据中提取精确的数学表达式,增强了模型的可解释性与物理一致性。这些研究成果不仅为土壤湿度和温度预测提供了新技术手段,也为适应时空异质性强的陆面要素和具有物理一致性的模型发展奠定了理论基础,为我国气象服务领域提供了重要科技支撑。
基于符号回归与可微物理架构的产汇流模型构建与研发
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批准号:42575159
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项目类别:面上项目
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资助金额:51.00万元
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批准年份:2025
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负责人:李清亮
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依托单位:
基于多变量预报信息和物理约束的土壤湿度人工智能预报模型研发
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:55万元
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批准年份:2022
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负责人:李清亮
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依托单位:
国内基金
海外基金