后处理整体预测系统可以改善天气预报，尤其是对于极端事件预测。近年来，已经开发出不同的机器学习模型来提高后处理步骤的质量。但是，这些模型在很大程度上依赖数据并生成此类合奏成员需要以高计算成本的数值天气预测模型进行多次运行。本文介绍了ENS-10数据集，由十个合奏成员组成，分布在20年中（1998-2017）。合奏成员是通过扰动数值天气模拟来捕获地球的混乱行为而产生的。为了代表大气的三维状态，ENS-10在11个不同的压力水平以及0.5度分辨率的表面中提供了最相关的大气变量。该数据集以48小时的交货时间针对预测校正任务，这实质上是通过消除合奏成员的偏见来改善预测质量。为此，ENS-10为预测交货时间t = 0、24和48小时（每周两个数据点）提供了天气变量。我们在ENS-10上为此任务提供了一组基线，并比较了它们在纠正不同天气变量预测时的性能。我们还评估了使用数据集预测极端事件的基准。 ENS-10数据集可在创意共享归因4.0国际（CC By 4.0）许可下获得。

We introduce a machine-learning (ML)-based weather simulator--called "GraphCast"--which outperforms the most accurate deterministic operational medium-range weather forecasting system in the world, as well as all previous ML baselines. GraphCast is an autoregressive model, based on graph neural networks and a novel high-resolution multi-scale mesh representation, which we trained on historical weather data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)'s ERA5 reanalysis archive. It can make 10-day forecasts, at 6-hour time intervals, of five surface variables and six atmospheric variables, each at 37 vertical pressure levels, on a 0.25-degree latitude-longitude grid, which corresponds to roughly 25 x 25 kilometer resolution at the equator. Our results show GraphCast is more accurate than ECMWF's deterministic operational forecasting system, HRES, on 90.0% of the 2760 variable and lead time combinations we evaluated. GraphCast also outperforms the most accurate previous ML-based weather forecasting model on 99.2% of the 252 targets it reported. GraphCast can generate a 10-day forecast (35 gigabytes of data) in under 60 seconds on Cloud TPU v4 hardware. Unlike traditional forecasting methods, ML-based forecasting scales well with data: by training on bigger, higher quality, and more recent data, the skill of the forecasts can improve. Together these results represent a key step forward in complementing and improving weather modeling with ML, open new opportunities for fast, accurate forecasting, and help realize the promise of ML-based simulation in the physical sciences.

到2021年底，全球电力容量的可再生能源份额达到38.3％，新设施以风能和太阳能为主，分别显示全球增长12.7％和18.5％。但是，风能和光伏能源都是高度挥发性的，使得对网格操作员的计划很难，因此对相应天气变量的准确预测对于可靠的电力预测至关重要。天气预测中最先进的方法是合奏方法，它为概率预测打开了大门。尽管合奏预测通常不足，并且会遭受系统的偏见。因此，它们需要某种形式的统计后处理，其中参数模型提供了手头天气变量的完整预测分布。我们提出了一种基于两步机的一般学习方法，用于校准集合天气预报，在第一步中，生成了改进点的预测，然后将其与各种合奏统计数据一起作为神经网络的输入特征，估计估计的参数。预测分布。在两个案例研究中，基于100m风速和全球水平辐照度预测匈牙利气象服务的操作集合词典系统，将这种新颖方法的预测性能与原始合奏的预测技能进行了比较ART参数方法。两种案例研究都证实，至少高达48H统计后处理可实质上改善了所有被考虑的预测范围的原始合奏的预测性能。所提出的两步方法的研究变体在其竞争对手方面优于技能，建议的新方法非常适用于不同的天气数量和广泛的预测分布。

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.

由于其对人类生命，运输，粮食生产和能源管理的高度影响，因此在科学上研究了预测天气的问题。目前的运营预测模型基于物理学，并使用超级计算机来模拟大气预测，提前预测数小时和日期。更好的基于物理的预测需要改进模型本身，这可能是一个实质性的科学挑战，以及潜在的分辨率的改进，可以计算令人望而却步。基于神经网络的新出现的天气模型代表天气预报的范式转变：模型学习来自数据的所需变换，而不是依赖于手工编码的物理，并计算效率。然而，对于神经模型，每个额外的辐射时间都会构成大量挑战，因为它需要捕获更大的空间环境并增加预测的不确定性。在这项工作中，我们提出了一个神经网络，能够提前十二小时的大规模降水预测，并且从相同的大气状态开始，该模型能够比最先进的基于物理的模型更高的技能HRRR和HREF目前在美国大陆运营。可解释性分析加强了模型学会模拟先进物理原则的观察。这些结果代表了建立与神经网络有效预测的新范式的实质性步骤。

降水预测是一项重要的科学挑战，对社会产生广泛影响。从历史上看，这项挑战是使用数值天气预测（NWP）模型解决的，该模型基于基于物理的模拟。最近，许多作品提出了一种替代方法，使用端到端深度学习（DL）模型来替代基于物理的NWP。尽管这些DL方法显示出提高的性能和计算效率，但它们在长期预测中表现出局限性，并且缺乏NWP模型的解释性。在这项工作中，我们提出了一个混合NWP-DL工作流程，以填补独立NWP和DL方法之间的空白。在此工作流程下，NWP输出被馈入深层模型，该模型后处理数据以产生精致的降水预测。使用自动气象站（AWS）观测值作为地面真相标签，对深层模型进行了监督训练。这可以实现两全其美，甚至可以从NWP技术的未来改进中受益。为了促进朝这个方向进行研究，我们提出了一个专注于朝鲜半岛的新型数据集，该数据集称为KOMET（KOMEN（KOREA气象数据集），由NWP预测和AWS观察组成。对于NWP，我们使用全局数据同化和预测系统-KOREA集成模型（GDAPS-KIM）。

Machine learning-based modeling of physical systems has experienced increased interest in recent years. Despite some impressive progress, there is still a lack of benchmarks for Scientific ML that are easy to use but still challenging and representative of a wide range of problems. We introduce PDEBench, a benchmark suite of time-dependent simulation tasks based on Partial Differential Equations (PDEs). PDEBench comprises both code and data to benchmark the performance of novel machine learning models against both classical numerical simulations and machine learning baselines. Our proposed set of benchmark problems contribute the following unique features: (1) A much wider range of PDEs compared to existing benchmarks, ranging from relatively common examples to more realistic and difficult problems; (2) much larger ready-to-use datasets compared to prior work, comprising multiple simulation runs across a larger number of initial and boundary conditions and PDE parameters; (3) more extensible source codes with user-friendly APIs for data generation and baseline results with popular machine learning models (FNO, U-Net, PINN, Gradient-Based Inverse Method). PDEBench allows researchers to extend the benchmark freely for their own purposes using a standardized API and to compare the performance of new models to existing baseline methods. We also propose new evaluation metrics with the aim to provide a more holistic understanding of learning methods in the context of Scientific ML. With those metrics we identify tasks which are challenging for recent ML methods and propose these tasks as future challenges for the community. The code is available at https://github.com/pdebench/PDEBench.

现实世界的行为通常是由多种代理之间复杂的相互作用来塑造的。为了可靠地研究多代理行为，无监督和自我监督的学习的进步使从轨迹数据中学到了各种不同的行为表示。迄今为止，还没有一组统一的基准测试，可以在广泛的行为分析设置中进行定量和系统地比较方法。我们的目的是通过引入来自现实世界行为神经科学实验的大规模，多代理轨迹数据集来解决这一问题，该数据集涵盖了一系列行为分析任务。我们的数据集由来自通用模型生物的轨迹数据组成，其中有960万帧的小鼠数据和440万帧的飞行数据，在各种实验环境中，例如不同的菌株，相互作用的长度和光遗传学刺激。框架的子集还包括专家注销的行为标签。我们数据集的改进对应于跨多种生物的行为表示，并能够捕获常见行为分析任务的差异。

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。

尽管有持续的改进，但降水预测仍然没有其他气象变量的准确和可靠。造成这种情况的一个主要因素是，几个影响降水分布和强度的关键过程出现在全球天气模型的解决规模以下。计算机视觉社区已经证明了生成的对抗网络（GAN）在超分辨率问题上取得了成功，即学习为粗图像添加精细的结构。 Leinonen等。 （2020年）先前使用GAN来产生重建的高分辨率大气场的集合，并给定较粗糙的输入数据。在本文中，我们证明了这种方法可以扩展到更具挑战性的问题，即通过使用高分辨率雷达测量值作为“地面真相”来提高天气预报模型中相对低分辨率输入的准确性和分辨率。神经网络必须学会添加分辨率和结构，同时考虑不可忽略的预测错误。我们表明，甘斯和vae-gan可以在创建高分辨率的空间相干降水图的同时，可以匹配最新的后处理方法的统计特性。我们的模型比较比较与像素和合并的CRP分数，功率谱信息和等级直方图（用于评估校准）的最佳现有缩减方法。我们测试了我们的模型，并表明它们在各种场景中的表现，包括大雨。

我们基准了一个简单学习模型的亚季节预测工具包，该工具包优于操作实践和最先进的机器学习和深度学习方法。这些模型，由Mouatadid等人引入。 （2022），包括（a）气候++，这是气候学的一种适应性替代品，对于降水而言，准确性9％，比美国运营气候预测系统（CFSV2）高9％，熟练250％； （b）CFSV2 ++，一种学习的CFSV2校正，可将温度和降水精度提高7-8％，技能提高50-275％； （c）持久性++是一种增强的持久性模型，将CFSV2预测与滞后测量相结合，以将温度和降水精度提高6-9％，技能提高40-130％。在整个美国，气候++，CFSV2 ++和持久性++工具包始终优于标准气象基准，最先进的机器和深度学习方法，以及欧洲中等范围的天气预报集合中心。

通过卫星图像和机器学习对行星进行大规模分析是一个梦想，这一梦想不断受到难以获取高度代表性的高分辨率图像的成本的阻碍。为了纠正此问题，我们在这里介绍WorldStrat数据集。 The largest and most varied such publicly available dataset, at Airbus SPOT 6/7 satellites' high resolution of up to 1.5 m/pixel, empowered by European Space Agency's Phi-Lab as part of the ESA-funded QueryPlanet project, we curate nearly 10,000独特位置的SQKM，以确保全世界所有类型的土地用途分层：从农业到冰盖，从森林到多种城市化密度。我们还丰富了通常在ML数据集中代表不足的地点的人：人道主义兴趣的地点，非法采矿地点以及有风险的人的定居点。我们以10 m/pixel的可自由访问的下分辨率Sentinel-2卫星的多个低分辨率图像为暂时匹配每个高分辨率图像。我们伴随着该数据集的开源Python软件包，以：重建或扩展WorldStrat数据集，训练和推断基线算法，并使用丰富的教程学习，所有这些都与流行的EO-Learn Toolbox兼容。我们特此希望能够促进ML在卫星图像中的广泛应用，并可能从免费的公共低分辨率Sentinel2图像中发展出昂贵的私人高分辨率图像所允许的相同的分析能力。我们通过训练并发布了有关多帧超分辨率任务的几个高度计算效率的基线来说明这一特定点。高分辨率空中图像是CC BY-NC，而标签和Sentinel2图像为CC，而BSD下的源代码和预训练模型。该数据集可从https://zenodo.org/record/6810792获得，并在https://github.com/worldstrat/worldstrat上获得。

Producing high-quality forecasts of key climate variables such as temperature and precipitation on subseasonal time scales has long been a gap in operational forecasting. Recent studies have shown promising results using machine learning (ML) models to advance subseasonal forecasting (SSF), but several open questions remain. First, several past approaches use the average of an ensemble of physics-based forecasts as an input feature of these models. However, ensemble forecasts contain information that can aid prediction beyond only the ensemble mean. Second, past methods have focused on average performance, whereas forecasts of extreme events are far more important for planning and mitigation purposes. Third, climate forecasts correspond to a spatially-varying collection of forecasts, and different methods account for spatial variability in the response differently. Trade-offs between different approaches may be mitigated with model stacking. This paper describes the application of a variety of ML methods used to predict monthly average precipitation and two meter temperature using physics-based predictions (ensemble forecasts) and observational data such as relative humidity, pressure at sea level, or geopotential height, two weeks in advance for the whole continental United States. Regression, quantile regression, and tercile classification tasks using linear models, random forests, convolutional neural networks, and stacked models are considered. The proposed models outperform common baselines such as historical averages (or quantiles) and ensemble averages (or quantiles). This paper further includes an investigation of feature importance, trade-offs between using the full ensemble or only the ensemble average, and different modes of accounting for spatial variability.

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。

机器学习社区目前没有记录数据集的标准化过程，这可能导致高赌注域的严重后果。要解决此差距，我们提出了数据集的数据表。在电子行业，每个组件，无论多么简单或复杂，都附带了一个描述其操作特征，测试结果，推荐使用和其他信息的数据表。通过类比，我们建议每个数据集都附有一个数据表，这些表记录了它的动机，组成，收集过程，推荐用途等。数据集的数据表将有助于在数据集创建者和数据集消费者之间更好地沟通，并鼓励机器学习界优先考虑透明度和问责制。

生产精确的天气预报和不确定的不确定性的可靠量化是一个开放的科学挑战。到目前为止，集团预测是最成功的方法，以产生相关预测的方法以及估计其不确定性。集合预测的主要局限性是高计算成本，难以捕获和量化不同的不确定性来源，特别是与模型误差相关的源。在这项工作中，进行概念证据模型实验，以检查培训的ANN的性能，以预测系统的校正状态和使用单个确定性预测作为输入的状态不确定性。我们比较不同的培训策略：一个基于使用集合预测的平均值和传播作为目标的直接培训，另一个依赖于使用确定性预测作为目标的决定性预测，其中来自数据隐含地学习不确定性。对于最后一种方法，提出和评估了两个替代损失函数，基于数据观察似然和基于误差的本地估计来评估另一个丢失功能。在不同的交货时间和方案中检查网络的性能，在没有模型错误的情况下。使用Lorenz'96模型的实验表明，ANNS能够模拟集合预测的一些属性，如最不可预测模式的过滤和预测不确定性的状态相关量化。此外，ANNS提供了在模型误差存在下的预测不确定性的可靠估计。

该调查侧重于地球系统科学中的当前问题，其中可以应用机器学习算法。它概述了以前的工作，在地球科学部，印度政府的持续工作，以及ML算法的未来应用到一些重要的地球科学问题。我们提供了与本次调查的比较的比较，这是与机器学习相关的多维地区的思想地图，以及地球系统科学（ESS）中机器学习的Gartner的炒作周期。我们主要关注地球科学的关键组成部分，包括大气，海洋，地震学和生物圈，以及覆盖AI / ML应用程序统计侦查和预测问题。

本文描述了一个新颖的机器学习（ML）框架，用于热带气旋强度和轨道预测，结合了多种ML技术并利用了多种数据源。我们的多模式框架（称为Hurricast）有效地结合了时空数据和统计数据，通过提取具有深度学习的编码器编码器体系结构的特征，并通过梯度增强的树进行预测。我们在2016 - 2019年在北大西洋和东太平洋盆地进行了24小时的提前时间和强度预测，评估我们的模型，并表明它们在秒内计算时达到了当前操作预测模型的可比平均绝对误差和技能。此外，将飓风纳入运营预测的共识模型可以改善国家飓风中心的官方预测，从而通过现有方法突出显示互补物业。总而言之，我们的工作表明，利用机器学习技术结合不同的数据源可以带来热带气旋预测的新机会。

提出了一个深度学习模型，以便在未来60分钟的五分钟时间分辨率下以闪电的形式出现。该模型基于反复横向的结构，该结构使其能够识别并预测对流的时空发展，包括雷暴细胞的运动，生长和衰变。预测是在固定网格上执行的，而无需使用风暴对象检测和跟踪。从瑞士和周围的区域收集的输入数据包括地面雷达数据，可见/红外卫星数据以及衍生的云产品，闪电检测，数值天气预测和数字高程模型数据。我们分析了不同的替代损失功能，班级加权策略和模型特征，为将来的研究提供了指南，以最佳地选择损失功能，并正确校准其模型的概率预测。基于这些分析，我们在这项研究中使用焦点损失，但得出结论，它仅在交叉熵方面提供了较小的好处，如果模型的重新校准不实用，这是一个可行的选择。该模型在60分钟的现有周期内实现了0.45的像素临界成功指数（CSI）为0.45，以预测8 km的闪电发生，范围从5分钟的CSI到5分钟的提前时间到CSI到CSI的0.32在A处。收货时间60分钟。

多代理行为建模旨在了解代理之间发生的交互。我们从行为神经科学，Caltech鼠标社交交互（CALMS21）数据集中提供了一个多代理数据集。我们的数据集由社交交互的轨迹数据组成，从标准居民入侵者测定中自由行为小鼠的视频记录。为了帮助加速行为研究，CALMS21数据集提供基准，以评估三种设置中自动行为分类方法的性能：（1）用于培训由单个注释器的所有注释，（2）用于风格转移以进行学习互动在特定有限培训数据的新行为学习的行为定义和（3）的注释差异。 DataSet由600万个未标记的追踪姿势的交互小鼠组成，以及超过100万帧，具有跟踪的姿势和相应的帧级行为注释。我们的数据集的挑战是能够使用标记和未标记的跟踪数据准确地对行为进行分类，以及能够概括新设置。