Knowing the actual precipitation in space and time is critical in hydrological modelling applications, yet the spatial coverage with rain gauge stations is limited due to economic constraints. Gridded satellite precipitation datasets offer an alternative option for estimating the actual precipitation by covering uniformly large areas, albeit related estimates are not accurate. To improve precipitation estimates, machine learning is applied to merge rain gauge-based measurements and gridded satellite precipitation products. In this context, observed precipitation plays the role of the dependent variable, while satellite data play the role of predictor variables. Random forests is the dominant machine learning algorithm in relevant applications. In those spatial predictions settings, point predictions (mostly the mean or the median of the conditional distribution) of the dependent variable are issued. The aim of the manuscript is to solve the problem of probabilistic prediction of precipitation with an emphasis on extreme quantiles in spatial interpolation settings. Here we propose, issuing probabilistic spatial predictions of precipitation using Light Gradient Boosting Machine (LightGBM). LightGBM is a boosting algorithm, highlighted by prize-winning entries in prediction and forecasting competitions. To assess LightGBM, we contribute a large-scale application that includes merging daily precipitation measurements in contiguous US with PERSIANN and GPM-IMERG satellite precipitation data. We focus on extreme quantiles of the probability distribution of the dependent variable, where LightGBM outperforms quantile regression forests (QRF, a variant of random forests) in terms of quantile score at extreme quantiles. Our study offers understanding of probabilistic predictions in spatial settings using machine learning.


翻译:了解降水的时空实际分布对于水文建模应用至关重要,但由于经济限制,雨量站的空间覆盖范围有限。网格化卫星降水数据集通过均匀覆盖大面积区域,为估算实际降水提供了替代方案,但其相关估算并不准确。为了改进降水估算,机器学习被应用于融合基于雨量计的测量数据与网格化卫星降水产品。在此背景下,观测降水作为因变量,而卫星数据作为预测变量。随机森林是相关应用中最主流的机器学习算法。在这些空间预测情境中,通常输出因变量的点预测(主要是条件分布的均值或中位数)。本文旨在解决空间插值设置中侧重极端分位数的降水概率预测问题。我们在此提出使用轻量梯度提升机(LightGBM)进行降水的概率空间预测。LightGBM是一种提升算法,在预测和预报竞赛中因获奖成绩而备受瞩目。为评估LightGBM,我们开展了一项大规模应用,内容涉及将美国本土的日降水测量数据与PERSIANN和GPM-IMERG卫星降水数据进行融合。我们重点关注因变量概率分布的极端分位数,在此方面,LightGBM在极端分位数的分位数评分上优于分位数回归森林(QRF,随机森林的一种变体)。我们的研究为利用机器学习进行空间情境下的概率预测提供了理解。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31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 · 2015年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
俄乌无人机战争的六大启示
专知会员服务
1+阅读 · 51分钟前
《无人机空中监控:通信实验洞察》
专知会员服务
1+阅读 · 53分钟前
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
5+阅读 · 8月2日
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
5+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
13+阅读 · 7月31日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31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 · 2015年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员