The formation of precipitation in state-of-the-art weather and climate models is an important process. The understanding of its relationship with other variables can lead to endless benefits, particularly for the world's monsoon regions dependent on rainfall as a support for livelihood. Various factors play a crucial role in the formation of rainfall, and those physical processes are leading to significant biases in the operational weather forecasts. We use the UNET architecture of a deep convolutional neural network with residual learning as a proof of concept to learn global data-driven models of precipitation. The models are trained on reanalysis datasets projected on the cubed-sphere projection to minimize errors due to spherical distortion. The results are compared with the operational dynamical model used by the India Meteorological Department. The theoretical deep learning-based model shows doubling of the grid point, as well as area averaged skill measured in Pearson correlation coefficients relative to operational system. This study is a proof-of-concept showing that residual learning-based UNET can unravel physical relationships to target precipitation, and those physical constraints can be used in the dynamical operational models towards improved precipitation forecasts. Our results pave the way for the development of online, hybrid models in the future.


翻译:在最先进的天气和气候模型中形成降水是一个重要过程。了解其与其他变量的关系可以带来无穷无尽的好处,特别是对于依赖降雨作为生计支持的世界季风区域而言。各种因素在降雨形成过程中发挥着关键作用,而这些物理过程正在导致天气预报方面的重大偏差。我们利用远古神经神经网络结构的深层革命性神经网络结构,并留级学习,作为学习全球降水数据驱动模型的概念的证明。这些模型经过培训,对立方孔预测中预测的再分析数据集进行了再分析,以尽量减少球形扭曲造成的误差。这些结果与印度气象部使用的业务动态模型进行了比较。理论深度学习模型显示了电网点的两倍,以及Pearson相关系数相对于操作系统的测得的区域平均技能。这一研究证明,残余学习UNET可以破坏与目标降水的物理关系,而这些物理限制因素可以用于动态操作模型中,改进降水量预测。我们的成果为未来模拟模型的在线发展铺平了道路。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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