Machine learning models have been employed to perform either physics-free data-driven or hybrid dynamical downscaling of climate data. Most of these implementations operate over relatively small downscaling factors because of the challenge of recovering fine-scale information from coarse data. This limits their compatibility with many global climate model outputs, often available between $\sim$50--100 km resolution, to scales of interest such as cloud resolving or urban scales. This study systematically examines the capability of convolutional neural networks (CNNs) to downscale surface wind speed data over land surface from different coarse resolutions (25 km, 48 km, and 100 km resolution) to 3 km. For each downscaling factor, we consider three CNN configurations that generate super-resolved predictions of fine-scale wind speed, which take between 1 to 3 input fields: coarse wind speed, fine-scale topography, and diurnal cycle. In addition to fine-scale wind speeds, probability density function parameters are generated, through which sample wind speeds can be generated accounting for the intrinsic stochasticity of wind speed. For generalizability assessment, CNN models are tested on regions with different topography and climate that are unseen during training. The evaluation of super-resolved predictions focuses on subgrid-scale variability and the recovery of extremes. Models with coarse wind and fine topography as inputs exhibit the best performance compared with other model configurations, operating across the same downscaling factor. Our diurnal cycle encoding results in lower out-of-sample generalizability compared with other input configurations.


翻译:机器学习模型已被用于对气候数据进行无物理约束的数据驱动式或混合动力降尺度。由于从粗分辨率数据中恢复精细尺度信息存在挑战,这些实现大多在较小的降尺度因子下运行。这限制了它们与许多全球气候模型输出(其分辨率通常在约$\sim$50–100 km)在云解析或城市尺度等感兴趣尺度上的兼容性。本研究系统地考察了卷积神经网络(CNNs)将陆表风速数据从不同粗分辨率(25 km、48 km和100 km)降尺度至3 km的能力。对于每个降尺度因子,我们考虑三种CNN配置,它们生成超分辨率精细风速预测,并分别使用1到3个输入场:粗分辨率风速、精细尺度地形和日循环。除了精细风速外,还生成了概率密度函数参数,通过这些参数可生成考虑风速固有随机性的样本风速。为评估泛化能力,CNN模型在训练中未曾出现、且具有不同地形和气候的区域上进行测试。超分辨率预测的评估聚焦于子网格变异性及极值恢复。相较于其他在同一降尺度因子下运行的模型配置,以粗风速和精细地形为输入的模型性能最优。相比其他输入配置,我们的日循环编码导致样本外泛化能力较低。

0
下载
关闭预览

相关内容

Surface 是微软公司( Microsoft)旗下一系列使用 Windows 10(早期为 Windows 8.X)操作系统的电脑产品,目前有 Surface、Surface Pro 和 Surface Book 三个系列。 2012 年 6 月 18 日,初代 Surface Pro/RT 由时任微软 CEO 史蒂夫·鲍尔默发布于在洛杉矶举行的记者会,2012 年 10 月 26 日上市销售。
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
128+阅读 · 2022年4月21日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月24日
Arxiv
11+阅读 · 2018年10月17日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
VIP会员
最新内容
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:43
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:38
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:32
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:21
CVPR 2026教程:统一多模态模型走向收敛之路
专知会员服务
6+阅读 · 6月8日
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
6+阅读 · 6月8日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
征稿 | CFP:Special Issue of NLP and KG(JCR Q2,IF2.67)
开放知识图谱
1+阅读 · 2022年4月4日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员