Wind speed retrieval at sea surface is of primary importance for scientific and operational applications. Besides weather models, in-situ measurements and remote sensing technologies, especially satellite sensors, provide complementary means to monitor wind speed. As sea surface winds produce sounds that propagate underwater, underwater acoustics recordings can also deliver fine-grained wind-related information. Whereas model-driven schemes, especially data assimilation approaches, are the state-of-the-art schemes to address inverse problems in geoscience, machine learning techniques become more and more appealing to fully exploit the potential of observation datasets. Here, we introduce a deep learning approach for the retrieval of wind speed time series from underwater acoustics possibly complemented by other data sources such as weather model reanalyses. Our approach bridges data assimilation and learning-based frameworks to benefit both from prior physical knowledge and computational efficiency. Numerical experiments on real data demonstrate that we outperform the state-of-the-art data-driven methods with a relative gain up to 16% in terms of RMSE. Interestingly, these results support the relevance of the time dynamics of underwater acoustic data to better inform the time evolution of wind speed. They also show that multimodal data, here underwater acoustics data combined with ECMWF reanalysis data, may further improve the reconstruction performance, including the robustness with respect to missing underwater acoustics data.


翻译:除了天气模型之外,现场测量和遥感技术,特别是卫星传感器,为监测风速提供了补充手段。随着海面风产生在水下传播的声音,水下声响录音也可以提供精细的风相关信息。模型驱动计划,特别是数据同化方法,是解决地球科学逆向问题的最先进计划,机器学习技术越来越吸引充分利用观测数据集的潜力。这里,我们采用深层次学习方法,从水下声学中检索风速时间序列,可能得到天气模型再分析等其他数据来源的补充。我们的方法将数据同化和学习框架联系起来,既从先前的物理知识和计算效率中受益。对实际数据进行的数字实验表明,我们比最新数据驱动方法的先进,相对增益到RME的16 % 。有趣的是,这些结果支持水下声学数据的时间动态的相关性,以更好地通报风速变化的时间变化,例如天气模型再分析。我们的方法将数据同基于学习的框架联系起来,以便从先前的物理知识和计算效率中受益。关于实际数据的计算实验显示,我们比最新数据高至16 %。这些结果支持水下声学数据的相关性,以便更有助于更好地了解风速变化数据,包括水上数据与水下数据的恢复。

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