Because of the impact of extreme heat waves and heat domes on society and biodiversity, their study is a key challenge. We specifically study long-lasting extreme heat waves, which are among the most important for climate impacts. Physics driven weather forecast systems or climate models can be used to forecast their occurrence or predict their probability. The present work explores the use of deep learning architectures, trained using outputs of a climate model, as an alternative strategy to forecast the occurrence of extreme long-lasting heatwaves. This new approach will be useful for several key scientific goals which include the study of climate model statistics, building a quantitative proxy for resampling rare events in climate models, study the impact of climate change, and should eventually be useful for forecasting. Fulfilling these important goals implies addressing issues such as class-size imbalance that is intrinsically associated with rare event prediction, assessing the potential benefits of transfer learning to address the nested nature of extreme events (naturally included in less extreme ones). We train a Convolutional Neural Network, using 1000 years of climate model outputs, with large-class undersampling and transfer learning. From the observed snapshots of the surface temperature and the 500 hPa geopotential height fields, the trained network achieves significant performance in forecasting the occurrence of long-lasting extreme heatwaves. We are able to predict them at three different levels of intensity, and as early as 15 days ahead of the start of the event (30 days ahead of the end of the event).


翻译:由于极端热浪和热云对社会和生物多样性的影响,他们的研究是一项关键挑战。我们特别研究长期的极端热浪,这是气候影响最重要的因素之一。物理驱动的天气预报系统或气候模型可以用来预测其发生或预测其概率。目前的工作探索使用深学习结构,培训使用气候模型的产出,作为预测极端长效热浪的发生的一种替代战略。这一新方法将有益于若干关键科学目标,其中包括研究气候模型统计数据,为气候模型中的罕见事件建立定量替代物,研究气候变化的影响,最终对预报有用。完成这些重要目标意味着解决类规模不平衡的问题,而这种不平衡与罕见事件预测有着内在的联系,评估通过转移学习解决极端事件(自然包含在不那么极端的事件中)。我们培训了一个革命神经网络,利用1,000年的气候模型产出,以及大型的模拟和转移学习。从观察到的地表温度的近似近似点,我们所训练的地表温度和高地表高的连续15天的恒度预测,我们所了解的地表温度和高地表的连续30天的预测,我们所了解的地表温度和高地势的轨道的轨道的深度是:我们所观察到的连续的30的轨道的轨道的轨道的轨道的轨道的预测。

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