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博客專欄

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準確預(yù)測極端降水,哥倫比亞大學推出升級版神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Org-NN

發(fā)布人:數(shù)據(jù)派THU 時間:2023-08-21 來源:工程師 發(fā)布文章
受臺風「杜蘇芮」影響,北京市從 7 月 29 日開始了連續(xù)多日的強降雨,部分地區(qū)為特大暴雨。極端強降雨導(dǎo)致了海河流域發(fā)生流域性較大洪水,門頭溝、涿州等地發(fā)生了嚴重的洪澇災(zāi)害。據(jù)央視網(wǎng) 7 月 31 日報道,此次強降雨期間,北京已累計排蓄水超過 1000 萬立方米,相當于排空了約 5 個頤和園昆明湖的水量,及時、準確、有效地預(yù)測極端降水,能最大程度上減輕人員傷亡,減少氣象災(zāi)害帶來的損失。傳統(tǒng)的氣候模型參數(shù)化中缺少亞網(wǎng)格尺度的云結(jié)構(gòu)與組織 (subgrid-scale cloud structure and organization) 信息,這會對粗粒度分辨率下降水強度和隨機性產(chǎn)生影響,導(dǎo)致無法準確預(yù)測極端降水情況。哥倫比亞大學 LEAP 實驗室使用全球風暴解析模擬與機器學習,創(chuàng)建了一種新的算法,解決了信息缺失的問題,提供了一種更精確的預(yù)測方法。目前,該研究已發(fā)表于《PNAS》,文章標題為《Implicit learning of convective organization explains precipitation stochasticity》。

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論文已發(fā)表于《PNAS》


論文地址:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216158120#abstract



 準備工作:10 天氣象數(shù)據(jù)+ 2 個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
 數(shù)據(jù)與處理 
實驗團隊所用數(shù)據(jù)集是大氣模式系統(tǒng) (SAM) DYAMOND (DYnamics of the Atmospheric general circulation Modeled On Non-hydrostatic Domains) 第二階段比較項目中模擬的大氣環(huán)流動力學的一部分。這個項目對比模擬了北半球冬季的 40 天,實驗人員將其中初始的 10 天作為模型的 spin-up,在后 30 天中隨機抽取了 10 天作為訓練集。
研究人員選擇了合適的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)粗粒度  (coarse-grain)  劃分為子域,等同于或可與 GCM-size 的網(wǎng)格。
接下來,為了提供訓練、驗證和測試數(shù)據(jù)集,團隊將 10 天分為 6 天、2 天、2 天,分別用于訓練、驗證和測試,且只保留了降水大于闕值 (0.05mm/h) 的樣本,以便只專注于降水強度 (intensity) 而不是降水的起因 (trigger) 。最終,樣本總數(shù)為 108 個。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 
在實驗中,研究人員使用了兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):傳統(tǒng)模型 Baseline-NN(基準神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))與新提出的 Org-NN。
Baseline-NN 是一個全連接前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (full connected feed-forward network),學習率按代進行調(diào)整。作為傳統(tǒng)模型,Baseline-NN 只能訪問大規(guī)模變量并預(yù)測降水。
Org-NN 含有一個自編碼器,其編碼器部分包括 3 個一維卷積層和兩個全連接層。編碼器的 input 是尺寸為 32 x 32 的高分辨率 PW (可降水,precipitable water)異常 (anomalie),output 為 org 變量,org 維度是該網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù),研究人員將其設(shè)置為了 4。****接收 org 變量并對原始的高分辨率場進行重構(gòu),與編碼器的結(jié)構(gòu)恰好相反。Org-NN 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分與 Baseline-NN 相似,只額外添加了組織潛在變量 (org) 作為其 input。
兩者都使用 TensorFlow 2.9 版本實現(xiàn),并使用 Sherpa 優(yōu)化庫對超參數(shù)進行了調(diào)優(yōu)。
 實驗結(jié)果 
實驗團隊對兩個模型進行了預(yù)訓練。為了評估神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測性能,科研人員選擇了 R2,這是一種常用于量化回歸模型性能的指標。計算公式如下:圖片
 傳統(tǒng)模型 Baseline-NN 
實驗團隊首先使用 Baseline-NN。下圖展示當使用粗粒度的 PW、SST、qv2m 和 T2m 作為 input 時的降水可預(yù)測性。其中,qv2m 與 T2m 用于向 Baseline-NN 提供邊界層 (boundary-layer) 條件的信息。實驗團隊將粗粒度的 PW 分組,在每個組內(nèi)對粗粒度降水的預(yù)測值與實際值進行平均,同時計算了落在每個分組內(nèi)的粗粒度降水值方差。
PW:可降水,precipitable water;SST:海面溫度,sea surface temperature;qv2m:近地表 2m 的比濕,near-surface specific humidity;T2m:近地表 2m 空氣濕度,surface temperature。
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圖 1:PW bin 上粗粒度降水平均值


虛線:真實的降水平均值;

橘線:預(yù)測的降水平均值;

綠線:每個 PW bin 中計算出的 R2;

陰影部分:每個分組內(nèi)的方差。


Baseline-NN 準確地恢復(fù)了降水平均值(即分組的平均值)在 PW 條件下的關(guān)鍵行為,以及在臨界點附近出現(xiàn)的快速轉(zhuǎn)變。但是,實驗團隊發(fā)現(xiàn)它無法解釋全球暴風模擬中觀察到的降水變異性,而且其性能(通過所有樣本的 R2 值估量)約為 0.45。低 R2 值表示,盡管可以捕捉到一些降水變異性,但是無法找到 input 與降水之間的強關(guān)系,且每個 PW bin 計算的 R2 值也未超過 0.5。
與此同時,實驗團隊還將 Baseline-NN 所預(yù)測的降水的概率密度函數(shù)與實際降水做比較,顯示該模型無法預(yù)測降水分布的尾部 (tail) ,即無法預(yù)測極端降水的情況。


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圖 2:降水的概率密度函數(shù)示意圖
藍色部分:真實降水的概率密度函數(shù)橙色部分:根據(jù)預(yù)測所得降水的概率密度函數(shù)
研究人員還將在粗粒度上的總云量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 input 之一,對 Baseline-NN 進一步測試??傇屏吭跉夂蚰P椭袨閰?shù)化變量,與降水無直接關(guān)系,所以將其作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入可能會提供有關(guān)凝結(jié)水的線索,而凝結(jié)水會直接用于降水的參數(shù)化。這其實對預(yù)測改進的作用很小,但是強調(diào)了平均云量并不能提供準確預(yù)測降水的相關(guān)信息。此外,實驗團隊通過進一步分析,證實了 CAPE 與 CIN 不能作為預(yù)測因子,且不能改善預(yù)測結(jié)果。


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圖 3: 降水概率密度函數(shù)圖


藍色部分:真實降水概率密度函數(shù);
橘色部分:預(yù)測得出降水概率密度函數(shù);
a:input 為 [PW、SST、qv2m、T2m、感熱通量(sensible heat flux)、潛熱通量(latent heat flux)];b:input 為 [PW、SST、qv2m、T2m、總云量];c:input 為 [PW、SST、qv2m、T2m、CAPE、CIN]。
結(jié)論是 Baseline-NN 在準確預(yù)測降水以及變異性方面能力較低。


新模型 Org-NN 
實驗團隊接下來顛覆了傳統(tǒng)方法,即利用 Org-NN進行預(yù)測。因為 Org-NN 含有一個自編碼器,它可以直接從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標函數(shù)通過反向傳播接受反饋。因此,自編碼器將可以被動提取改善降水預(yù)測的相關(guān)信息。
下圖顯示了以粗粒度變量和 org 作為輸入的 Org-NN 的降水預(yù)測結(jié)果。相比于 Baseline-NN,Org-NN 的進步顯著。當在所有數(shù)據(jù)點上進行計算時,預(yù)測的 R2 增加到 0.9。對于 PW 的每一個區(qū)間,除了降水較小的區(qū)間,計算得到的 R2 值幾乎都接近 0.80。
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圖 5: Org-NN 預(yù)測結(jié)果圖

D:PW bin 上粗粒度降水平均值;E:降水的概率密度函數(shù)示意圖;F:圖 D 中每個緯度和經(jīng)度位置在時間步長上計算得出的 R2 值。圖中的白色區(qū)域表示降水小于 0.05 毫米/小時,被排除在模型的輸入之外。除未達到降水閾值的點的附近區(qū)域外,Org-NN 在大部分區(qū)域的 R2 值顯著高于 0.8。
實驗團隊比較了 Org-NN 和高分辨率降水模型的真實降水的概率密度函數(shù),對 Org-NN 的性能進一步量化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Org-NN 完全捕捉到了概率密度函數(shù),包括它分布的尾部,也就是對應(yīng)著極端降水的部分。這說明 Org-NN 能夠準確預(yù)測極端降水的情況。
實驗團隊所得結(jié)果表明,通過將 org 納入 input,降水預(yù)測得到了顯著的改善。這表明了,在當前的氣候模型中,亞網(wǎng)格尺度結(jié)構(gòu)可能是對流和降水參數(shù)化缺失的重要信息。


 實驗流程總結(jié) 
圖片圖 6: 實驗流程概覽
A:數(shù)據(jù)處理過程:粗粒度化高分辨率數(shù)據(jù);
B:Baseline-NN:該網(wǎng)絡(luò)接收粗尺度變量 (如 SST 和 PW) 作為 input,并預(yù)測粗尺度降水;C:Org-NN : 左圖顯示了自動編碼器,它接收高分辨率 PW 作為 input,并在通過瓶頸后對其進行重建。右圖顯示了預(yù)測粗尺度降水的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
傳統(tǒng)氣候模型變革在即 
本次實驗的團隊來自 Learning the Earth with Artificial Intelligence and Physics (LEAP),這是哥倫比亞大學于 2021 年啟動的 NSF 科學與技術(shù)中心,其主要研究策略就是結(jié)合物理建模與機器學習,利用氣候科學、氣候模擬的專業(yè)知識與尖端的機器學習算法,改進近期氣候預(yù)測。這對氣候科學與數(shù)據(jù)科學的發(fā)展都有所增益。
圖片LEAP 實驗室部分成員簡介
實驗室官網(wǎng):https://leap.columbia.edu
目前,研究人員正在將他們的機器學習方法應(yīng)用于氣候模型中,以改進降水強度和變異性的預(yù)測,并使科學家能夠在全球變暖背景下,更準確地預(yù)測水循環(huán)和極端天氣模式的變化。
同時,這項研究還開辟了新的研究方向,例如探索降水具有記憶效應(yīng)的可能性,即大氣保留有關(guān)最近天氣條件的信息,進而影響后續(xù)的大氣條件。這種新方法可能在降水模擬之外具有廣泛的應(yīng)用,如對冰蓋和海洋表面進行更好的模擬。

參考文章:

[1] https://www.sohu.com/a/707903896_121286085

[2] https://leap.columbia.edu

[3]https://phys.org/news/2023-05-method-extreme-weather-events-accurately.html

[4] https://www.sohu.com/a/708559707_100058586



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