Producing an accurate weather forecast and a reliable quantification of its uncertainty is an open scientific challenge. Ensemble forecasting is, so far, the most successful approach to produce relevant forecasts along with an estimation of their uncertainty. The main limitations of ensemble forecasting are the high computational cost and the difficulty to capture and quantify different sources of uncertainty, particularly those associated with model errors. In this work proof-of-concept model experiments are conducted to examine the performance of ANNs trained to predict a corrected state of the system and the state uncertainty using only a single deterministic forecast as input. We compare different training strategies: one based on a direct training using the mean and spread of an ensemble forecast as target, the other ones rely on an indirect training strategy using a deterministic forecast as target in which the uncertainty is implicitly learned from the data. For the last approach two alternative loss functions are proposed and evaluated, one based on the data observation likelihood and the other one based on a local estimation of the error. The performance of the networks is examined at different lead times and in scenarios with and without model errors. Experiments using the Lorenz'96 model show that the ANNs are able to emulate some of the properties of ensemble forecasts like the filtering of the most unpredictable modes and a state-dependent quantification of the forecast uncertainty. Moreover, ANNs provide a reliable estimation of the forecast uncertainty in the presence of model error.


翻译:提出准确的天气预报和可靠地量化其不确定性是一个公开的科学挑战。综合预测是迄今为止最成功的预测方法,迄今为止,在提出相关预测并估计其不确定性的同时,还采用最成功的预测方法,共同预测的主要局限是计算成本高,难以捕捉和量化不同的不确定性来源,特别是与模型错误有关的不确定性来源。在这项工作中,对概念模型进行验证试验,以审查受过训练的非本国人员的业绩,他们仅使用单一的确定性预测作为投入,预测系统状态和状态不确定性。我们比较不同的培训战略:一种战略是以直接培训为基础,使用共同预测的平均值和扩展作为目标,其他战略则依赖间接培训战略,使用确定性预测作为目标,从数据中隐含不确定性。在最后一种办法中,提出和评价两种替代损失功能,一种基于数据观察可能性,另一种基于对错误的当地估计。网络的可靠业绩是在不同的领导时间和一些假设中进行,而且没有模型错误。在Lorenz最可靠的预测模型中,利用类似预测的预测模型进行试验,ANNS的预测模型显示A的可靠程度的预测。

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