In this paper, we present Pangu-Weather, a deep learning based system for fast and accurate global weather forecast. For this purpose, we establish a data-driven environment by downloading $43$ years of hourly global weather data from the 5th generation of ECMWF reanalysis (ERA5) data and train a few deep neural networks with about $256$ million parameters in total. The spatial resolution of forecast is $0.25^\circ\times0.25^\circ$, comparable to the ECMWF Integrated Forecast Systems (IFS). More importantly, for the first time, an AI-based method outperforms state-of-the-art numerical weather prediction (NWP) methods in terms of accuracy (latitude-weighted RMSE and ACC) of all factors (e.g., geopotential, specific humidity, wind speed, temperature, etc.) and in all time ranges (from one hour to one week). There are two key strategies to improve the prediction accuracy: (i) designing a 3D Earth Specific Transformer (3DEST) architecture that formulates the height (pressure level) information into cubic data, and (ii) applying a hierarchical temporal aggregation algorithm to alleviate cumulative forecast errors. In deterministic forecast, Pangu-Weather shows great advantages for short to medium-range forecast (i.e., forecast time ranges from one hour to one week). Pangu-Weather supports a wide range of downstream forecast scenarios, including extreme weather forecast (e.g., tropical cyclone tracking) and large-member ensemble forecast in real-time. Pangu-Weather not only ends the debate on whether AI-based methods can surpass conventional NWP methods, but also reveals novel directions for improving deep learning weather forecast systems.


翻译:在本文中,我们介绍Pangu-Weather,这是一个用于快速和准确全球气象预报的深层次学习基础系统。为此,我们从第5代欧洲地中海气象基金会(ERA5)再分析(ERA5)数据中下载了43美元的每小时全球气象数据,并培训了几处深度神经网络,总参数约为2.56亿美元。预测的空间分辨率为0.25 ⁇ circ$,可与ECMFF 综合预报系统相比。更重要的是,基于AI的方法首次在准确性(纬度加权的ARMSE和ACC)所有因素(例如,地势、特定湿度、风速、温度等)和所有时间范围(从1小时到1周)。 提高预测准确性的两个关键战略是:(i) 设计一个3DGLOVLOVER(3DEST)的预测结构,该结构将短期(压值水平)的天气预报数据比为最新数字的数值预测值(NWP),而不是数字天气预测(NWP)方法,所有因素(如:地平时程、平时程、时程、时空预报、测测距(也显示),从1至时间的预报至时间的预报,从1次的预报,从1次,从1次的预报至1次的预报至1至1次(包括时间的预报),从空间-时间的预报,从一个预报至1次的预报至1至1次)至1次。

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