As an increasing amount of remote sensing data becomes available in the Arctic Ocean, data-driven machine learning (ML) techniques are becoming widely used to predict sea ice velocity (SIV) and sea ice concentration (SIC). However, fully data-driven ML models have limitations in generalizability and physical consistency due to their excessive reliance on the quantity and quality of training data. In particular, as Arctic sea ice entered a new phase with thinner ice and accelerated melting, there is a possibility that an ML model trained with historical sea ice data cannot fully represent the dynamically changing sea ice conditions in the future. In this study, we develop physics-informed neural network (PINN) strategies to integrate physical knowledge of sea ice into the ML model. Based on the Hierarchical Information-sharing U-net (HIS-Unet) architecture, we incorporate the physics loss function and the activation function to produce physically plausible SIV and SIC outputs. Our PINN model outperforms the fully data-driven model in the daily predictions of SIV and SIC, even when trained with a small number of samples. The PINN approach particularly improves SIC predictions in melting and early freezing seasons and near fast-moving ice regions.


翻译:随着北冰洋遥感数据日益丰富,数据驱动的机器学习技术已广泛应用于海冰速度与海冰密集度的预测。然而,完全依赖数据驱动的机器学习模型因其对训练数据数量与质量的过度依赖,在泛化能力与物理一致性方面存在局限。特别是在北极海冰进入冰层变薄、融化加速的新阶段后,基于历史海冰数据训练的机器学习模型可能无法完整表征未来动态变化的海冰状况。本研究开发了物理信息神经网络策略,将海冰物理知识融入机器学习模型。基于分层信息共享U-net架构,我们引入物理损失函数与激活函数,以生成物理合理的海冰速度与密集度输出。即使在少量样本训练下,我们的物理信息神经网络模型在海冰速度与密集度的逐日预测中仍优于纯数据驱动模型。该物理信息神经网络方法尤其提升了融化期、早期冻结期及快速移动冰区附近的海冰密集度预测精度。

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