Providing small-scale information about weather and climate is challenging, especially for variables strongly controlled by processes that are unresolved by low-resolution (LR) models. This paper explores emerging machine learning methods from the fields of image super-resolution (SR) and deep learning for statistical downscaling of near-surface winds to convection-permitting scales. Specifically, Generative Adversarial Networks (GANs) are conditioned on LR inputs from a global reanalysis to generate high-resolution (HR) surface winds that emulate those simulated over North America by the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Unlike traditional SR models, where LR inputs are idealized coarsened versions of the HR images, WRF emulation involves non-idealized LR inputs from a coarse-resolution reanalysis. In addition to matching the statistical properties of WRF simulations, GANs quickly generate HR fields with impressive realism. However, objectively assessing the realism of the SR models requires careful selection of evaluation metrics. In particular, performance measures based on spatial power spectra reveal the way that GAN configurations change spatial structures in the generated fields, where biases in spatial variability originate, and how models depend on different LR covariates. Inspired by recent computer vision research, a novel methodology that separates spatial frequencies in HR fields is used in an attempt to optimize the SR GANs further. This method, called frequency separation, resulted in deterioration in realism of the generated HR fields. However, frequency separation did show how spatial structures are influenced by the metrics used to optimize the SR models, which led to the development of a more effective partial frequency separation approach.


翻译:提供有关天气和气候的小规模信息具有挑战性,特别是对于由低分辨率(LRF)模型未解决的进程所严格控制的各种变量而言,提供关于天气和气候的小规模信息具有挑战性。本文探讨了从图像超分辨率(SR)领域和从统计上缩小近地风到对流许可尺度的深层次学习,从图像超分辨率(SR)领域到图像超分辨率(SR)领域新兴的机器学习方法。具体地说,产生反向网络(GANs)的条件是从全球再分析中生成高分辨率(HR)的地面风,以生成高分辨率(HR)的地面风,模仿由天气研究和预报(WRF)模型所模拟的在北美模拟的那些过程。与传统的SR(WRF)模型不同,在图像超分辨率(LR)的频率(LR)数据是理想化的混合版本。WRF的模拟包括非理想化的LRS输入。除了匹配WRF模拟的统计特性外,GAN快速生成了人力资源领域的真实性(HR)模型是如何通过空间变化的模型来生成的。

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