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  ResoNet: Robust and Explainable ENSO Forecasts with Hybrid Convolution and Transformer Networks

Lyu, P., Tang, T., Ling, F., Luo, J.-J., Boers, N., Ouyang, W., & Bai, L. (2024). ResoNet: Robust and Explainable ENSO Forecasts with Hybrid Convolution and Transformer Networks. Advances in Atmospheric Sciences, 41, 1289-1298. doi:10.1007/s00376-024-3316-6.

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基本情報

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資料種別: 学術論文

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Lyu_2024_2312.10429 (プレプリント), 18MB
 
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Lyu_2024_2312.10429
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非公開
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application/pdf
技術的なメタデータ:
著作権日付:
-
著作権情報:
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CCライセンス:
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作成者

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 作成者:
Lyu, Pumeng1, 著者
Tang, Tao1, 著者
Ling, Fenghua1, 著者
Luo, Jing-Jia1, 著者
Boers, Niklas2, 著者              
Ouyang, Wanli1, 著者
Bai, Lei1, 著者
所属:
1External Organizations, ou_persistent22              
2Potsdam Institute for Climate Impact Research, ou_persistent13              

内容説明

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キーワード: -
 要旨: Recent studies have shown that deep learning (DL) models can skillfully forecast El Niño–Southern Oscillation (ENSO) events more than 1.5 years in advance. However, concerns regarding the reliability of predictions made by DL methods persist, including potential overfitting issues and lack of interpretability. Here, we propose ResoNet, a DL model that combines CNN (convolutional neural network) and transformer architectures. This hybrid architecture enables our model to adequately capture local sea surface temperature anomalies as well as long-range inter-basin interactions across oceans. We show that ResoNet can robustly predict ENSO at lead times of 19 months, thus outperforming existing approaches in terms of the forecast horizon. According to an explainability method applied to ResoNet predictions of El Niño and La Niña from 1- to 18-month leads, we find that it predicts the Niño-3.4 index based on multiple physically reasonable mechanisms, such as the recharge oscillator concept, seasonal footprint mechanism, and Indian Ocean capacitor effect. Moreover, we demonstrate for the first time that the asymmetry between El Niño and La Niña development can be captured by ResoNet. Our results could help to alleviate skepticism about applying DL models for ENSO prediction and encourage more attempts to discover and predict climate phenomena using AI methods.

資料詳細

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言語: eng - 英語
 日付: 2024-05-242024-06-222024-07-01
 出版の状態: Finally published
 ページ: -
 出版情報: -
 目次: -
 査読: 査読あり
 識別子(DOI, ISBNなど): DOI: 10.1007/s00376-024-3316-6
MDB-ID: No data to archive
PIKDOMAIN: RD4 - Complexity Science
Organisational keyword: RD4 - Complexity Science
Organisational keyword: FutureLab - Artificial Intelligence in the Anthropocene
Model / method: Machine Learning
Research topic keyword: Climate impacts
 学位: -

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訴訟

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Project information

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出版物 1

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出版物名: Advances in Atmospheric Sciences
種別: 学術雑誌, SCI, Scopus
 著者・編者:
所属:
出版社, 出版地: -
ページ: - 巻号: 41 通巻号: - 開始・終了ページ: 1289 - 1298 識別子(ISBN, ISSN, DOIなど): CoNE: https://publications.pik-potsdam.de/cone/journals/resource/1861-9533
Publisher: Springer