Machine learning models have been employed to perform either physics-free data-driven or hybrid dynamical downscaling of climate data. Most of these implementations operate over relatively small downscaling factors because of the challenge of recovering fine-scale information from coarse data. This limits their compatibility with many global climate model outputs, often available between $\sim$50--100 km resolution, to scales of interest such as cloud resolving or urban scales. This study systematically examines the capability of convolutional neural networks (CNNs) to downscale surface wind speed data over land surface from different coarse resolutions (25 km, 48 km, and 100 km resolution) to 3 km. For each downscaling factor, we consider three CNN configurations that generate super-resolved predictions of fine-scale wind speed, which take between 1 to 3 input fields: coarse wind speed, fine-scale topography, and diurnal cycle. In addition to fine-scale wind speeds, probability density function parameters are generated, through which sample wind speeds can be generated accounting for the intrinsic stochasticity of wind speed. For generalizability assessment, CNN models are tested on regions with different topography and climate that are unseen during training. The evaluation of super-resolved predictions focuses on subgrid-scale variability and the recovery of extremes. Models with coarse wind and fine topography as inputs exhibit the best performance compared with other model configurations, operating across the same downscaling factor. Our diurnal cycle encoding results in lower out-of-sample generalizability compared with other input configurations.


翻译:使用机器学习模型来对气候数据进行无物理数据驱动的或混合动态降尺度的气候数据进行无物理数据驱动的或混合的动态降尺度的演算。 由于从粗糙数据中恢复微尺度信息的挑战, 大部分这些执行都运行在相对较小的降尺度因素上。 这限制了它们与许多全球气候模型输出的兼容性, 通常在50- 100公里分辨率之间, 以云溶解或城市规模等范围为主。 此研究系统地检查了从不同粗糙分辨率( 25公里、 48公里和100公里分辨率)到3公里的陆地表面表面表面风速数据( 25公里、 48公里和100公里分辨率) 。 对于每一个降尺度因素, 我们考虑三个CNN配置, 生成对微规模风速度的超固度预测, 这需要1到3个输入字段之间: 粗慢的风速、 精度表层地形和底线循环。 除了微的风速模型之外, 还生成了概率的概率函数参数, 通过这些测试风速速度可以计算出最佳风速速度的内在的精度, 。 对于每个降尺度的每个降尺度, 对比的Sloverical 的运行模型的模型, 度分析, 分析, 的模型的模型的精确度分析, 以不同的图像分析, 以不同的演算法的模型在最高级演算法的模型在最高级演算中, 以不同的图像的演算法的演算法 的模型 的模型 以不同的图像的模型 以不同的图像的演算法 。

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