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Spatio-Temporal Enhanced Contrastive and Contextual Learning for Weather Forecasting

计算机科学 利用 人工智能 天气预报 过程(计算) 机器学习 潜变量 构造(python库) 人工神经网络 深度学习 数值天气预报 数据挖掘 气象学 物理 计算机安全 程序设计语言 操作系统
作者
Yongshun Gong,Tiantian He,Meng Chen,Bin Wang,Liqiang Nie,Yilong Yin
出处
期刊:IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering [IEEE Computer Society]
卷期号:36 (8): 4260-4274 被引量:5
标识
DOI:10.1109/tkde.2024.3362825
摘要

Weather forecasting is of great importance for human life and various real-world fields, e.g., traffic prediction, agricultural production, and tourist industry. Existing methods can be roughly divided into two categories: theory-driven (e.g., numerical weather prediction (NWP)) and data-driven methods. Theory-driven methods require a complex simulation of the physical evolution process in the atmosphere model using supercomputers, while most data-driven methods learn the underlying laws from the historical weather records via deep learning models. However, some data-driven methods simply regard all weather variables of monitoring stations as a whole and fail to more granularly exploit complex correlations across different stations, while others prefer to construct large neural networks with massive learnable parameters. To alleviate these defects, we propose a spatio-temporal contrastive self-supervision method and a generative contextual self-supervised technique to capture spatial and temporal dependencies from the station-level and variable-level, respectively. Through these well-designed self-supervised tasks, uncomplicated networks obtain strong capability to capture latent representations for weather changes with time-varying. Thereafter, an effective encoder-decoder based fine-tuning framework is proposed, consisting of three self-supervised encoders. Extensive experiments conducted on four real-world weather condition datasets demonstrate that our method outperforms the state-of-the-art models and also empirically validates the feasibility of each self-supervised task.
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