Machine learning models are frequently employed to perform either purely physics-free or hybrid downscaling of climate data. However, the majority of these implementations operate over relatively small downscaling factors of about 4--6x. This study examines the ability of convolutional neural networks (CNN) to downscale surface wind speed data from three different coarse resolutions (25km, 48km, and 100km side-length grid cells) to 3km and additionally focuses on the ability to recover subgrid-scale variability. Within each downscaling factor, namely 8x, 16x, and 32x, we consider models that produce fine-scale wind speed predictions as functions of different input features: coarse wind fields only; coarse wind and fine-scale topography; and coarse wind, topography, and temporal information in the form of a timestamp. Furthermore, we train one model at 25km to 3km resolution whose fine-scale outputs are probability density function parameters through which sample wind speeds can be generated. All CNN predictions performed on one out-of-sample data outperform classical interpolation. Models with coarse wind and fine topography are shown to exhibit the best performance compared to other models operating across the same downscaling factor. Our timestamp encoding results in lower out-of-sample generalizability compared to other input configurations. Overall, the downscaling factor plays the largest role in model performance.


翻译:通常使用机器学习模型来对气候数据进行纯无物理或混合降尺度的降尺度,但是,这些执行中的大多数运行模式都是在相对较小的降尺度因素(约4-6x)下缩尺度因素(4-6x)下调因素下调的。本研究考察了进化神经网络(CNN)到从三个不同粗糙分辨率(25km、48km和100km侧长格格)到3km的地表风速数据缩放能力的能力(25km、48km和100km侧长格格)到3km分辨率。此外,我们将一个模型的精度输出为概率密度函数,通过这些模型可以生成下调风速。我们认为,每个降尺度因素(即8x、16x和32x)中,产生微缩风速度预测的模型是不同输入特性功能功能的功能:只有粗略的风场、粗略的风和精细的地形地形表;以及以时序图为形态的时空图信息。模型将一个模型用于其他最下调的阵列式,将显示为最下调的阵列。

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