Survey of research on applications of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2025070874

Journal of Computer Applications ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (7): 2318-2326.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2025070874

• Frontier and comprehensive applications • Previous Articles

Survey of research on applications of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting

Miaogen LING¹^,², Rui JING¹^,³, Wei FANG¹^,³^,⁴^,⁵()

^1.School of Computer Science，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044，China
^2.Jiangsu Provincial Key Laboratory for Computer Information Processing Technology （Soochow University），Suzhou Jiangsu 215006，China
^3.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology （Nanjing University of Information Science and Technology），Nanjing Jiangsu 210044，China
^4.Key Laboratory of Basin Heavy Precipitation of China Meteorological Administration / Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research （Wuhan Institute of Heavy Rain，China Meteorological Administration），Wuhan Hubei 430205，China
^5.State Key Laboratory of Disaster Weather （Chinese Academy of Meteorological Sciences），Beijing 100081，China

Received:2025-08-04 Revised:2025-09-11 Accepted:2025-09-11 Online:2025-11-05 Published:2026-07-10
Contact: Wei FANG
About author:LING Miaogen， born in 1987， Ph. D.， associate professor. His research interests include computer vision， deep learning.
JING Rui， born in 1999， M. S. candidate. Her research interests include deep learning.
Supported by:
General Program of National Natural Science Foundation of China(42475149);National Natural Science Foundation of China(62202235);Open Fund of Key Laboratory of Basin Heavy Precipitation of China Meteorological Administration(2023BHR-Y14);Open Project of State Key Laboratory of Severe Weather(2024LASW-B19)

可解释性深度学习在热带气旋预报中的应用研究综述

凌妙根¹^,², 井瑞¹^,³, 方巍¹^,³^,⁴^,⁵()

^1.南京信息工程大学计算机学院，南京 210044
^2.江苏省计算机信息处理技术重点实验室（苏州大学），江苏苏州 215006
^3.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心（南京信息工程大学），南京 210044
^4.中国气象局流域强降水重点开放实验室/暴雨监测预警湖北省重点实验室（中国气象局武汉暴雨研究所），武汉 430205
^5.灾害天气国家重点实验室（中国气象科学研究院），北京 100081

通讯作者: 方巍
作者简介:凌妙根（1987—），男，浙江乐清人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：计算机视觉、深度学习
井瑞（1999—），女，河北沧州人，硕士研究生，CCF会员，主要研究方向：深度学习
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(42475149);国家自然科学基金资助项目(62202235);中国气象局流域强降水重点开放实验室开放研究基金资助项目(2023BHR-Y14);灾害天气国家重点实验室开放课题(2024LASW-B19)

Abstract

Abstract:

Deep learning offers a new path for tropical cyclone forecasting， yet its black-box characteristic hinders its application in critical fields. Therefore， a review was conducted on the application research of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting. First， the latest advances of deep learning research on tropical cyclone forecasting were classified systematically. Second， the advantages and disadvantages of traditional methods of forecasting were reviewed. Third， attention is focused on the applications of Convolutional Neural Network （CNN）， Recurrent Neural Network （RNN）， Long Short-Term Memory （LSTM） Network， and Transformer for forecasting tasks， and the frontier explorations of methods such as Generative Adversarial Network （GAN） were discussed. On this basis， the importance of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting was analyzed in a deep way， the specific application of explainable deep learning to tropical cyclone forecasting was explored in three dimensions： feature importance interpretation， spatio-temporal mode interpretation， and uncertainty quantification， and its potential in enhancing model transparency and user confidence was pointed out. Finally， to address current challenges faced by explainable research， future research prospects of combining physical mechanisms， multi-granularity visualization， and causal inference were introduced.

Key words: tropical cyclone, deep learning, explainability, tropical cyclone forecasting, black-box characteristic

摘要：

深度学习为热带气旋预报研究提供了新途径，但其黑盒特性影响了它在关键领域的应用。因此，对可解释性深度学习在热带气旋预报中的应用研究进行综述。首先，系统梳理深度学习在热带气旋预报中的最新研究进展；其次，回顾传统预报方法的优势与局限；然后，聚焦卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、长短期记忆（LSTM）网络和Transformer等模型在不同预报任务中的应用，并探讨生成对抗网络（GAN）等方法的前沿探索。在此基础上，深入分析可解释性深度学习在热带气旋预报中的重要性，从特征重要性解释、时空模式解释以及不确定量化这3个维度探讨可解释性深度学习在热带气旋预报中的具体应用，并指出它在提升模型透明度和用户信任度方面的潜力。最后，针对当前可解释性研究中面临的挑战，提出未来融合物理机制、多粒度可视化及因果推理的研究展望。

关键词: 热带气旋, 深度学习, 可解释性, 热带气旋预报, 黑盒特性

CLC Number:

TP301

Miaogen LING, Rui JING, Wei FANG. Survey of research on applications of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting[J]. Journal of Computer Applications, 2026, 46(7): 2318-2326.

凌妙根, 井瑞, 方巍. 可解释性深度学习在热带气旋预报中的应用研究综述[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2026, 46(7): 2318-2326.

Figures/Tables 6

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等级名称	简称	风速阈值/（m·s^-1）	风力等级
热带低压	TD	10.8~17.1	6~7级
热带风暴	TS	17.2~24.4	8~9级
强热带风暴	STS	24.5~32.6	10~11级
台风	TY	32.7~41.4	12~13级
强台风	STY	41.5~50.9	14~15级
超强台风	SuperTY	≥51.0	≥16级

等级名称	简称	风速阈值/（m·s^-1）	风力等级
热带低压	TD	10.8~17.1	6~7级
热带风暴	TS	17.2~24.4	8~9级
强热带风暴	STS	24.5~32.6	10~11级
台风	TY	32.7~41.4	12~13级
强台风	STY	41.5~50.9	14~15级
超强台风	SuperTY	≥51.0	≥16级

分类	预报场景
热带气旋生成预报	热带气旋短期生成预报
	热带气旋长期趋势预报
	热带气旋扰动生成预报
热带气旋路径预报	基于时间序列数据的热带气旋路径预报
	基于遥感卫星云图的热带气旋路径预报
	基于多模态数据融合的热带气旋路径预报
热带气旋强度预报	热带气旋强度预报
	热带气旋快速增强预报
	热带气旋快速减弱预报
TC引起的灾害性天气及其影响预报	热带气旋引起的降水量预报
	热带气旋引起的风速预报
	热带气旋引起的海洋灾害预报
	灾害影响评估

分类	预报场景
热带气旋生成预报	热带气旋短期生成预报
	热带气旋长期趋势预报
	热带气旋扰动生成预报
热带气旋路径预报	基于时间序列数据的热带气旋路径预报
	基于遥感卫星云图的热带气旋路径预报
	基于多模态数据融合的热带气旋路径预报
热带气旋强度预报	热带气旋强度预报
	热带气旋快速增强预报
	热带气旋快速减弱预报
TC引起的灾害性天气及其影响预报	热带气旋引起的降水量预报
	热带气旋引起的风速预报
	热带气旋引起的海洋灾害预报
	灾害影响评估

文献	研究焦点	差异化贡献
文献［4］	热带气旋路径预报	聚焦于传统方法在热带气旋路径预报的应用
文献［5］	机器学习在热带气旋预报中的应用	系统回顾了机器学习在热带气旋预测中的研究进展
文献［6］	热带气旋强度估计	最全面的方法分类与数据源总结
文献［7］	台风预报技术发展路线	系统性回顾中国台风预报技术从传统方法到现代数值预报和AI技术的完整发展历程

Survey of research on applications of explainable deep learning in tropical cyclone forecasting

可解释性深度学习在热带气旋预报中的应用研究综述

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分类	优势	不足
数值预报方法	预报范围较广，预报时效长	计算资源开销大，难以同化异构数据
统计学方法	计算成本低、计算资源需求小、适用范围广	非线性拟合欠佳，极端情况处理不力
统计动力学方法	有效订正动力模式偏差，实现多源数据融合	主观性强、效率低、精度依赖预报员水平

文献	分类维度	具体类别	典型方法
文献［47］	基于可解释对象	模型内部机制	激活最大化
		预测结果特征	LIME^［50］
		模仿者行为	知识蒸馏
文献［48］	基于可解释原理	模型内部可视化	Grad-CAM^［51］
		特征统计分析	SHAP^［52］
		本质可解释模型	决策树
文献［49］	基于方法类型	自解释模型	线性回归
		特定模型解释	CAM^［53］
		不可知模型解释	LIME^［50］
		因果解释	反事实推理

方法类型	代表技术	优点	缺点
贝叶斯神经网络	BNN （Bayesian Neural Network）、高斯过程	完整概率分布、理论严谨	计算复杂，需先验
集成学习	多模型集合	简单有效	无法区分不确定性的来源
蒙特卡洛方法	Bootstrap Sampling、Monte Carlo Dropout、MCMC采样	易于实现、可与现有模型直接结合、适用范围广	收敛速度慢、需要大量采样以保证精度
共形预测	CQR （Conformalized Quantile Regression）、Jackknife+	严格覆盖保证、模型无关	需校准集、区间可能较宽

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