In this paper, we propose a Light Gradient Boosting (LightGBM) to forecast dominant wave periods in oceanic waters. First, we use the data collected from CDIP buoys and apply various data filtering methods. The data filtering methods allow us to obtain a high-quality dataset for training and validation purposes. We then extract various wave-based features like wave heights, periods, skewness, kurtosis, etc., and atmospheric features like humidity, pressure, and air temperature for the buoys. Afterward, we train algorithms that use LightGBM and Extra Trees through a hv-block cross-validation scheme to forecast dominant wave periods for up to 30 days ahead. LightGBM has the R2 score of 0.94, 0.94, and 0.94 for 1-day ahead, 15-day ahead, and 30-day ahead prediction. Similarly, Extra Trees (ET) has an R2 score of 0.88, 0.86, and 0.85 for 1-day ahead, 15-day ahead, and 30 day ahead prediction. In case of the test dataset, LightGBM has R2 score of 0.94, 0.94, and 0.94 for 1-day ahead, 15-day ahead and 30-day ahead prediction. ET has R2 score of 0.88, 0.86, and 0.85 for 1-day ahead, 15-day ahead, and 30-day ahead prediction. A similar R2 score for both training and the test dataset suggests that the machine learning models developed in this paper are robust. Since the LightGBM algorithm outperforms ET for all the windows tested, it is taken as the final algorithm. Note that the performance of both methods does not decrease significantly as the forecast horizon increases. Likewise, the proposed method outperforms the numerical approaches included in this paper in the test dataset. For 1 day ahead prediction, the proposed algorithm has SI, Bias, CC, and RMSE of 0.09, 0.00, 0.97, and 1.78 compared to 0.268, 0.40, 0.63, and 2.18 for the European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) model, which outperforms all the other methods in the test dataset.


翻译:在本文中, 我们提出“ 浅度梯度推进( LightGBM ) ”, 用于预测洋水中的主要波段。 首先, 我们使用从 CDIP 浮标收集的数据, 并应用各种数据过滤方法。 数据过滤方法使我们能够获得高质量的数据集, 用于培训和验证目的。 然后我们提取各种基于波的特征, 如波高、 时期、 皮肤、 神经系统等, 以及浮标的大气特征 湿度、 压力和空气温度。 之后, 我们通过 hv 块交叉校验计划, 来培训使用 LightGBM 和 Explate 树的算法, 来预测未来30天的主要波段。 光色GBMMR 将R2的R2 评分定为0.94, 前一日为0.94, 前30天为0.84; 额外树( ET) 之前的R2评分为0.88 和前一日的RR3, 前期为0.83, 后期为0.85 和前期的预选为0.85 。

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