Recurrent neural networks are machine learning algorithms which are suited well to predict time series. Echo state networks are one specific implementation of such neural networks that can describe the evolution of dynamical systems by supervised machine learning without solving the underlying nonlinear mathematical equations. In this work, we apply an echo state network to approximate the evolution of two-dimensional moist Rayleigh-B\'enard convection and the resulting low-order turbulence statistics. We conduct long-term direct numerical simulations in order to obtain training and test data for the algorithm. Both sets are pre-processed by a Proper Orthogonal Decomposition (POD) using the snapshot method to reduce the amount of data. The training data comprise long time series of the first 150 most energetic POD coefficients. The reservoir is subsequently fed by the data and results in predictions of future flow states. The predictions are thoroughly validated by the data of the original simulation. Our results show good agreement of the low-order statistics. This incorporates also derived statistical moments such as the cloud cover close to the top of the convection layer and the flux of liquid water across the domain. We conclude that our model is capable of learning complex dynamics which is introduced here by the tight interaction of turbulence with the nonlinear thermodynamics of phase changes between vapor and liquid water. Our work opens new ways for the dynamic parametrization of subgrid-scale transport in larger-scale circulation models.


翻译:常规神经网络是机器学习的算法,非常适合预测时间序列。回声状态网络是这种神经网络的一种具体实施,它可以描述动态系统的演进,通过监督的机器学习来描述动态系统的演进,而不必解决基本的非线性数学方程。在这项工作中,我们应用回声状态网络来估计二维moist Raylei-B\'enard convervection的演进以及由此产生的低级波动统计数据。我们进行长期直接数字模拟,以便为算法获得培训和测试数据。两套神经网络都是由适当的正正方形分解变形(POD)预先处理的,使用光学方法来减少数据的数量。培训数据包含第一个150个最能的POD系数的长时间序列。随后,通过未来流动状态预测的数据和结果来为储油层提供反馈。这些预测得到原始模拟数据的彻底验证。我们的结果显示低级统计的一致性。这两类数据还包含从云层顶部层的云层和液态水分流流流流流的全域的变变。我们模型能够在这里学习动态变动的动态的模型。 我们的动态变动阶段的动态变变动的模型是复杂的变动的。

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