There is growing interest in data-driven weather prediction (DDWP), for example using convolutional neural networks such as U-NETs that are trained on data from models or reanalysis. Here, we propose 3 components to integrate with commonly used DDWP models in order to improve their physical consistency and forecast accuracy. These components are 1) a deep spatial transformer added to the latent space of the U-NETs to preserve a property called equivariance, which is related to correctly capturing rotations and scalings of features in spatio-temporal data, 2) a data-assimilation (DA) algorithm to ingest noisy observations and improve the initial conditions for next forecasts, and 3) a multi-time-step algorithm, which combines forecasts from DDWP models with different time steps through DA, improving the accuracy of forecasts at short intervals. To show the benefit/feasibility of each component, we use geopotential height at 500~hPa (Z500) from ERA5 reanalysis and examine the short-term forecast accuracy of specific setups of the DDWP framework. Results show that the equivariance-preserving networks (U-STNs) clearly outperform the U-NETs, for example improving the forecast skill by $45\%$. Using a sigma-point ensemble Kalman (SPEnKF) algorithm for DA and U-STN as the forward model, we show that stable, accurate DA cycles are achieved even with high observation noise. The DDWP+DA framework substantially benefits from large ($O(1000)$) ensembles that are inexpensively generated with the data-driven forward model in each DA cycle. The multi-time-step DDWP+DA framework also shows promises, e.g., it reduces the average error by factors of 2-3.


翻译:人们对数据驱动天气预测(DDWP)越来越感兴趣,例如使用以模型或再分析数据为数据培训的U-NET等神经神经网络。在这里,我们提议3个组件与常用的DDWP模型集成,以提高其物理一致性和预测准确性。这些组件是:(1) 一个深度空间变压器加入U-NET的潜藏空间,以保存一个称为Qevariance(QWP)的属性,该特性与正确获取URA5值数据周期的旋转和特征缩放有关;(2) 一个数据缩略图(DA)算法,以发布最吵的观测结果,改进下一个预报的初始条件;(3) 一个多时间级算法,将DDWP模型的预测与不同的时间步骤结合到DWP模型,提高预测的短间隔。为了显示每个组件的效益/可行性,我们使用ERA5的模型和时间框架(Z500)的短期预测值框架。DWF的精确度值框架的短期预测值值值值值值值值,DWA-NA值的数值值值值值值值是每个变现的数值-SDA-RA-NADAAAAAA的模型显示一个稳定的前变数。

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