LPT-QPN: A Lightweight Physics-Informed Transformer for Quantitative Precipitation Nowcasting

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作者
Dawei Li,Kefeng Deng,Di Zhang,Yudi Liu,Hongze Leng,Fukang Yin,Kaijun Ren,Junqiang Song
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:61: 1-19 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tgrs.2023.3328945
摘要

Quantitative precipitation nowcasting (QPN) is a highly challenging task in weather forecasting. The ability to provide precise, immediate, and detailed QPN products is necessary for a variety of situations, including storm warnings, air travel, and large gatherings. To address this challenge, this article proposes a new transformer lightweight physics-informed transformer (LPT)-QPN for QPN tasks, utilizing vertical cumulative liquid water content (VIL) products. This model adopts novel transformer modules to model the long-term evolution of precipitation and incorporates multihead squared attention (MHSA) to model its highly nonlinear relationships while reducing computational complexity. The results of experimental evaluations demonstrate the superiority of LPT-QPN when compared to existing state-of-the-art QPN models. In particular, the LPT-QPN model demonstrates greater accuracy for long lead time and in high-intensity areas, confirmed in both quantitative and qualitative evaluations. In addition, through three customized fine-tuning schemes, we are able to further improve the predictability of the LPT-QPN model for specific precipitation events. By incorporating the physical constraints of the convection-diffusion equation, our approach offers novel perspectives for future explorations that combine physical prior knowledge and deep-learning (DL) techniques.
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