数据驱动算法，特别是神经网络，可以在高分辨率模拟数据训练时模拟粗辨率气候模型中未解决的过程的影响;然而，当在没有接受培训的条件下评估时，它们通常会进行大规模的概括误差。在这里，我们建议在物理上重新归类机器学习算法的输入和输出，以帮助他们推广到看不见的气候。在三个不同的气候模型中应用了划分级热力学的离线参数化，我们展示了重新划分的或“气候不变”神经网络，使测试气候的准确预测比其培训气候更温暖。此外，“气候不变”神经网络促进了Aquaplanet和地球模拟之间的泛化。通过可视化和归因方法，我们表明与标准机器学习模型相比，“气候不变”算法学到了风暴规模对流，辐射和其天气热力学环境之间的更多地方和强大的关系。总的来说，这些结果表明，将物理知识纳入地球系统过程的数据驱动模型可以提高其在气候制度上概括的一致性和能力。
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有希望的方法来改善气候模型中的云参数化，因此气候预测是使用深度学习与来自Storm-解析模型（SRM）模拟的培训数据结合使用。 ICOSAHEDRAL非静水压（图标）建模框架允许模拟从数值天气预报到气候投影，使其成为开发基于神经网络（NN）的子网比例过程的参数化的理想目标。在图标框架内，我们通过基于逼真的区域和全局图标SRM模拟培训基于NN的云覆盖参数化。我们设置了三种不同类型的NNS，其垂直局部程度不同，它们假设从粗粒粒度大气状态变量诊断云盖。 NNS精确地从粗粒数据中估计子网格尺度云覆盖，该数据具有与其训练数据相似的地理特征。此外，全球培训的NNS可以再现区域SRM仿真的子网格级云覆盖。使用基于游戏理论的可解释性库福芙添加剂解释，我们识别特定湿度和云冰上的过分传播，以及我们基于列的NN不能从全局到区域粗粒度SRM数据完全概括的原因。该解释工具还有助于可视化区域和全球训练的基于列的NNS之间的特征重要性的相似性和差异，并在其云覆盖预测和热力学环境之间揭示了本地关系。我们的结果表明，深度学习的潜力从全球SRMS获得准确但可解释的云覆盖参数化，并表明基于邻域的模型可能是精度和概括性之间的良好折衷。
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在概述中，引入了通用数学对象（映射），并解释了其与模型物理参数化的关系。引入了可用于模拟和/或近似映射的机器学习（ML）工具。ML的应用在模拟现有参数化，开发新的参数化，确保物理约束和控制开发应用程序的准确性。讨论了一些允许开发人员超越标准参数化范式的ML方法。
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这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。
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Weather forecasting centers currently rely on statistical postprocessing methods to minimize forecast error. This improves skill but can lead to predictions that violate physical principles or disregard dependencies between variables, which can be problematic for downstream applications and for the trustworthiness of postprocessing models, especially when they are based on new machine learning approaches. Building on recent advances in physics-informed machine learning, we propose to achieve physical consistency in deep learning-based postprocessing models by integrating meteorological expertise in the form of analytic equations. Applied to the post-processing of surface weather in Switzerland, we find that constraining a neural network to enforce thermodynamic state equations yields physically-consistent predictions of temperature and humidity without compromising performance. Our approach is especially advantageous when data is scarce, and our findings suggest that incorporating domain expertise into postprocessing models allows to optimize weather forecast information while satisfying application-specific requirements.
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传统上，基于标度律维模型已被用于参数对流换热岩类地行星像地球，火星，水星和金星的内部，以解决二维或三维高保真前插的计算瓶颈。然而，这些在物理它们可以建模（例如深度取决于材料特性），并预测只平均量的量的限制，例如平均温度地幔。我们最近发现，前馈神经网络（FNN），使用了大量的二维模拟可以克服这个限制和可靠地预测整个1D横向平均温度分布的演变，及时为复杂的模型训练。我们现在扩展该方法以预测的完整2D温度字段，它包含在对流结构如热羽状和冷downwellings的形式的信息。使用的地幔热演化的10,525二维模拟数据集火星般的星球，我们表明，深度学习技术能够产生可靠的参数代理人（即代理人即预测仅基于参数状态变量，如温度）底层偏微分方程。我们首先使用卷积自动编码由142倍以压缩温度场，然后使用FNN和长短期存储器网络（LSTM）来预测所述压缩字段。平均起来，FNN预测是99.30％，并且LSTM预测是准确相对于看不见模拟99.22％。在LSTM和FNN预测显示，尽管较低的绝对平均相对精度，LSTMs捕捉血流动力学优于FNNS适当的正交分解（POD）。当求和，从FNN预测和从LSTM预测量至96.51％，相对97.66％到原始模拟的系数，分别与POD系数。
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在数值天气和气候模型中的云结构的处理通常很大程度上是大大简化的，以使它们计算得起价格实惠。在这里，我们建议使用计算廉价的神经网络来纠正欧洲的中等天气预报1D辐射方案ECRAD，用于3D云效应。 3D云效应被学习为ECRAD快速1D Tripleclouds疏忽它们的差异及其3D Spartacus（通过云侧辐射传输的快速算法），其中包括它们的求解器，但大约是计算昂贵的五倍。在3D信号的20到30％之间的典型误差，神经网络的准确性提高了运行时增加约1％。因此，而不是模仿整个斯巴达斯，我们将Tripleclouds保持不变的气氛的无云部分和在其他地方的3D矫正它。如果我们假设两者的相似的信噪比，则对相对小的3D校正而不是整个信号的焦点允许显着提高预测。
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湍流无处不在，获得有效，准确且可概括的订单模型仍然是一个具有挑战性的问题。该手稿开发了减少拉格朗日模型的湍流模型的层次结构，以研究和比较在拉格朗日框架内实施平滑的粒子流体动力学（SPH）结构与嵌入神经网络（NN）作为通用函数近似器中的效果。 SPH是用于近似流体力学方程的无网格拉格朗日方法。从基于神经网络（NN）的拉格朗日加速运算符的参数化开始，该层次结构逐渐结合了一个弱化和参数化的SPH框架，该框架可以执行物理对称性和保护定律。开发了两个新的参数化平滑核，其中包含在完全参数化的SPH模拟器中，并与立方和四分之一的平滑核进行了比较。对于每个模型，我们使用基于梯度的优化最小化的不同损耗函数，其中使用自动分化（AD）和灵敏度分析（SA）获得了有效的梯度计算。每个模型均经过两个地面真理（GT）数据集训练，该数据集与每周可压缩的均质各向同性湍流（hit），（1）使用弱压缩SPH的验证集，（2）来自直接数值模拟（DNS）的高忠诚度集。数值证据表明：（a）对“合成” SPH数据的方法验证； （b）嵌入在SPH框架中近似状态方程的NN的能力； （b）每个模型都能插入DNS数据； （c）编码更多的SPH结构可提高对不同湍流的马赫数和时间尺度的普遍性； （d）引入两个新型参数化平滑核可提高SPH比标准平滑核的准确性。
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了解极端事件及其可能性是研究气候变化影响，风险评估，适应和保护生物的关键。在这项工作中，我们开发了一种方法来构建极端热浪的预测模型。这些模型基于卷积神经网络，对极长的8，000年气候模型输出进行了培训。由于极端事件之间的关系本质上是概率的，因此我们强调概率预测和验证。我们证明，深度神经网络适用于法国持续持续14天的热浪，快速动态驱动器提前15天（500 hpa地球电位高度场），并且在慢速较长的交货时间内，慢速物理时间驱动器（土壤水分）。该方法很容易实现和通用。我们发现，深神经网络选择了与北半球波数字3模式相关的极端热浪。我们发现，当将2米温度场添加到500 HPA地球电位高度和土壤水分场中时，2米温度场不包含任何新的有用统计信息。主要的科学信息是，训练深层神经网络预测极端热浪的发生是在严重缺乏数据的情况下发生的。我们建议大多数其他应用在大规模的大气和气候现象中都是如此。我们讨论了处理缺乏数据制度的观点，例如罕见的事件模拟，以及转移学习如何在后一种任务中发挥作用。
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地球天气和气候的数值模拟需要大量的计算。这导致替换替换具有在推理时间快速的近似机器学习（ml）方法的子程序来替换的子程序感兴趣。在天气和气候模型中，大气辐射转移（RT）计算特别昂贵。这使他们成为了基于神经网络的仿真器的流行目标。然而，由于缺乏缺乏全面的数据集和ML基准测试的标准化最佳实践，事先工作难以比较。为了填补这个差距，我们建立一个大型数据集，比加拿大地球系统模型为基础的大型数据集，高于\ emph {1000万个样本，未来的气候条件}。 Climart为ML社区带来了几种方法论挑战，例如多次分发试验集，底层域物理学和准确性和推广速度之间的权衡。我们还提出了几种新颖的基线，这些基线表示现有工作中使用的数据集和网络架构的缺点。下载说明，基准和代码可提供：https：//github.com/rolnicklab/climart
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$ \ Texit {Fermi} $数据中的银河系中多余（GCE）的两个领先假设是一个未解决的微弱毫秒脉冲条件（MSP）和暗物质（DM）湮灭。这些解释之间的二分法通常通过将它们建模为两个单独的发射组分来反映。然而，诸如MSP的点源（PSS）在超微弱的极限中具有统计变质的泊松发射（正式的位置，预期每个来源平均贡献远低于一个光子），导致可能提出问题的歧义如排放是否是PS样或性质中的泊松人。我们提出了一种概念上的新方法，以统一的方式描述PS和泊松发射，并且刚刚从此获得的结果中获得了对泊松组件的约束。为了实现这种方法，我们利用深度学习技术，围绕基于神经网络的方法，用于直方图回归，其表达量数量的不确定性。我们证明我们的方法对许多困扰先前接近的系统，特别是DM / PS误操作来稳健。在$ \ texit {fermi} $数据中，我们发现由$ \ sim4 \ times 10 ^ {-11} \ \ text {counts} \ {counts} \ text {counts} \ text {counts} \ \ text {cm} ^ { - 2} \ \ text {s} ^ { - 1} $（对应于$ \ sim3 - 4 $每pL期望计数），这需要$ n \ sim \ mathcal {o}（ 10 ^ 4）$源来解释整个过剩（中位数价值$ n = \文本{29,300} $横跨天空）。虽然微弱，但这种SCD允许我们获得95％信心的Poissonian比赛的约束$ \ eta_p \ leq 66 \％$。这表明大量的GCE通量是由于PSS 。
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物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。
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目前，由精确的径向速度（RV）观察结果受到恒星活性引入的虚假RV信号的限制。我们表明，诸如线性回归和神经网络之类的机器学习技术可以有效地从RV观测中删除活动信号（由于星形/张图引起的）。先前的工作着重于使用高斯工艺回归等建模技术仔细地过滤活性信号（例如Haywood等人，2014年）。取而代之的是，我们仅使用对光谱线平均形状的更改进行系统地删除活动信号，也没有有关收集观测值的信息。我们对模拟数据（使用SOAP 2.0软件生成； Dumusque等人，2014年生成）和从Harps-N太阳能望远镜（Dumusque等，2015; Phillips等人2015; 2016; Collier训练）培训了机器学习模型。 Cameron等人2019）。我们发现，这些技术可以从模拟数据（将RV散射从82 cm/s提高到3 cm/s）以及从HARPS-N太阳能望远镜中几乎每天进行的600多种真实观察结果来预测和消除恒星活动（将RV散射从82 cm/s提高到3 cm/s）。 （将RV散射从1.753 m/s提高到1.039 m/s，提高了约1.7倍）。将来，这些或类似的技术可能会从太阳系以外的恒星观察中去除活动信号，并最终有助于检测到阳光状恒星周围可居住的区域质量系外行星。
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能源部门的深度脱碳将需要大量的随机可再生能源渗透和大量的网格资产协调。对于面对这种变化而负责维持电网稳定性和安全性的电力系统运营商来说，这是一个具有挑战性的范式。凭借从复杂数据集中学习并提供有关快速时间尺度的预测解决方案的能力，机器学习（ML）得到了很好的选择，可以帮助克服这些挑战，因为在未来几十年中，电力系统转变。在这项工作中，我们概述了与构建可信赖的ML模型相关的五个关键挑战（数据集生成，数据预处理，模型培训，模型评估和模型嵌入），这些模型从基于物理的仿真数据中学习。然后，我们演示如何将单个模块连接在一起，每个模块都克服了各自的挑战，在机器学习管道中的顺序阶段，如何有助于提高训练过程的整体性能。特别是，我们实施了通过反馈连接学习管道的不同元素的方法，从而在模型培训，绩效评估和重新训练之间“关闭循环”。我们通过学习与拟议的北海风能中心系统的详细模型相关的N-1小信号稳定性边缘来证明该框架，其组成模块的有效性及其反馈连接。
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在本文中，我们对数值模拟的加速感兴趣。我们专注于高超音速行星再入问题，该问题涉及耦合流体动力学和化学反应。模拟化学反应需要大部分计算时间，但另一方面，无法避免获得准确的预测。我们面临成本效率和准确性之间的权衡：模拟代码必须足够有效地在操作环境中使用，但必须足够准确，以忠实地预测现象。为了解决这个权衡，我们设计了一个混合模拟代码，将传统的流体动态求解器与近似化学反应的神经网络耦合。当在大数据上下文中应用以及它们源于其矩阵矢量结构的效率时，我们依靠它们的力量来实现重要的加速因子（$ \ tims 10 $至$ \ times 18.6 $）。本文旨在解释我们如何在实践中设计这种具有成本效益的混合模拟代码。最重要的是，我们描述了确保准确性保证的方法论，使我们能够超越传统的替代建模，并将这些代码用作参考。
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我们提出了一种基于机器学习的方法来解决运输过程的研究，在连续力学中无处不在，特别关注那些由复杂的微物理学统治的那些现象，对理论调查不切实际，但表现出由闭合的数学表达可以描述的紧急行为。我们的机器学习模型，使用简单组件建造以及若干知名实践，能够学习运输过程的潜在表示，从标称误差表征数据的标称误差导致声音泛化属性，可以比预期更接近地面真理。通过对融合和宇宙等离子体相关的热通量抑制的长期问题的理想研究来证明这一点。 Our analysis shows that the result applies beyond those case specific assumptions and that, in particular, the accuracy of the learned representation is controllable through knowledge of the data quality (error properties) and a suitable choice of the dataset size.虽然学习的表示可以用作数值建模目的的插件，但是也可以利用上述误差分析来获得描述传输机制和理论值的可靠的数学表达式。
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由于其高能量强度，建筑物在当前全球能源转型中发挥着重要作用。建筑模型是普遍无处不在的，因为在建筑物的每个阶段都需要它们，即设计，改装和控制操作。基于物理方程式的古典白盒式模型必然遵循物理规律，但其底层结构的具体设计可能会阻碍他们的表现力，从而阻碍他们的准确性。另一方面，黑匣子型号更适合捕获非线性建筑动态，因此通常可以实现更好的准确性，但它们需要大量的数据，并且可能不会遵循物理规律，这是神经网络特别常见的问题（NN）模型。为了抵消这种已知的概括问题，最近介绍了物理知识的NNS，研究人员在NNS的结构中介绍了以底层底层物理法律接地，并避免经典的NN概括问题。在这项工作中，我们介绍了一种新的物理信息的NN架构，被称为身体一致的NN（PCNN），其仅需要过去的运行数据并且没有工程开销，包括在并联运行到经典NN的线性模块中的先前知识。我们正式证明，这些网络是物理上一致的 - 通过设计甚至在看不见的数据 - 关于不同的控制输入和邻近区域的温度。我们在案例研究中展示了他们的表现，其中PCNN比3美元的古典物理型电阻电容模型更好地获得高达50美元的准确性。此外，尽管结构受到约束的结构，但PCNNS在验证数据上对古典NNS对古典NNS进行了类似的性能，使训练数据较少，并保留高表达性以解决泛化问题。
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Surrogate models are necessary to optimize meaningful quantities in physical dynamics as their recursive numerical resolutions are often prohibitively expensive. It is mainly the case for fluid dynamics and the resolution of Navier-Stokes equations. However, despite the fast-growing field of data-driven models for physical systems, reference datasets representing real-world phenomena are lacking. In this work, we develop AirfRANS, a dataset for studying the two-dimensional incompressible steady-state Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations over airfoils at a subsonic regime and for different angles of attacks. We also introduce metrics on the stress forces at the surface of geometries and visualization of boundary layers to assess the capabilities of models to accurately predict the meaningful information of the problem. Finally, we propose deep learning baselines on four machine learning tasks to study AirfRANS under different constraints for generalization considerations: big and scarce data regime, Reynolds number, and angle of attack extrapolation.
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在许多环境环境中的风险管理需要了解驱动极端事件的机制。量化这种风险的有用指标是响应变量的极端分位数，该变量是基于描述气候，生物圈和环境状态的预测变量的。通常，这些分位数位于可观察数据的范围之内，因此，为了估算，需要在回归框架内规范参数极值模型。在这种情况下，经典方法利用预测变量和响应变量之间的线性或加性关系，并在其预测能力或计算效率中受苦；此外，它们的简单性不太可能捕获导致极端野火创造的真正复杂结构。在本文中，我们提出了一个新的方法学框架，用于使用人工中性网络执行极端分位回归，该网络能够捕获复杂的非线性关系并很好地扩展到高维数据。神经网络的“黑匣子”性质意味着它们缺乏从业者通常会喜欢的可解释性的理想特征。因此，我们将线性和加法模型的各个方面与深度学习相结合，以创建可解释的神经网络，这些神经网络可用于统计推断，但保留了高预测准确性。为了补充这种方法，我们进一步提出了一个新颖的点过程模型，以克服与广义极值分布类别相关的有限的下端问题。我们的统一框架的功效在具有高维预测器集的美国野火数据上说明了，我们说明了基于线性和基于样条的回归技术的预测性能的大幅改进。
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在飞机系统绩效评估的背景下，深度学习技术可以快速从实验测量中推断模型，其详细的系统知识比基于物理的建模通常所需的详细知识。但是，这种廉价的模型开发也带来了有关模型可信度的新挑战。这项工作提出了一种新颖的方法，即物理学引导的对抗机学习（ML），从而提高了对模型物理一致性的信心。首先，该方法执行了物理引导的对抗测试阶段，以搜索测试输入，以显示行为系统不一致，同时仍落在可预见的操作条件范围内。然后，它进行了物理知识的对抗训练，以通过迭代降低先前未经证实的反描述的不需要的输出偏差来教授与系统相关的物理领域的模型。对两个飞机系统绩效模型的经验评估显示了我们对抗性ML方法在暴露两种模型的身体不一致方面的有效性，并提高其与物理领域知识一致的倾向。
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