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。

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。

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。

卫星遥感提供了一种具有成本效益的概要洪水监测的解决方案，卫星衍生的洪水图为传统上使用的数值洪水淹没模型提供了一种计算有效的替代方法。尽管卫星碰巧涵盖正在进行的洪水事件时确实提供了及时的淹没信息，但它们受其时空分辨率的限制，因为它们在各种规模上动态监测洪水演变的能力。不断改善对新卫星数据源的访问以及大数据处理功能，就此问题的数据驱动解决方案而言，已经解锁了前所未有的可能性。具体而言，来自卫星的数据融合，例如哥白尼前哨，它们具有很高的空间和低时间分辨率，以及来自NASA SMAP和GPM任务的数据，它们的空间较低，但时间较高的时间分辨率可能会导致高分辨率的洪水淹没在A处的高分辨率洪水。每日规模。在这里，使用Sentinel-1合成孔径雷达和各种水文，地形和基于土地利用的预测因子衍生出的洪水淹没图对卷积神经网络进行了训练，以预测高分辨率的洪水泛滥概率图。使用Sentinel-1和Sentinel-2衍生的洪水面罩，评估了UNET和SEGNET模型架构的性能，分别具有95％的信心间隔。精确召回曲线（PR-AUC）曲线下的区域（AUC）被用作主要评估指标，这是由于二进制洪水映射问题中类固有的不平衡性质，最佳模型提供了PR-AUC 0.85。

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。

以知情方式监测和管理地球林是解决生物多样性损失和气候变化等挑战的重要要求。虽然森林评估的传统或空中运动提供了在区域一级分析的准确数据，但将其扩展到整个国家，以外的高度分辨率几乎不可能。在这项工作中，我们提出了一种贝叶斯深度学习方法，以10米的分辨率为全国范围的森林结构变量，使用自由可用的卫星图像作为输入。我们的方法将Sentinel-2光学图像和Sentinel-1合成孔径雷达图像共同变换为五种不同的森林结构变量的地图：95th高度百分位，平均高度，密度，基尼系数和分数盖。我们从挪威的41个机载激光扫描任务中培训和测试我们的模型，并证明它能够概括取消测试区域，从而达到11％和15％之间的归一化平均值误差，具体取决于变量。我们的工作也是第一个提出贝叶斯深度学习方法的工作，以预测具有良好校准的不确定性估计的森林结构变量。这些提高了模型的可信度及其适用于需要可靠的信心估计的下游任务，例如知情决策。我们提出了一组广泛的实验，以验证预测地图的准确性以及预测的不确定性的质量。为了展示可扩展性，我们为五个森林结构变量提供挪威地图。

In the last decade, much work in atmospheric science has focused on spatial verification (SV) methods for gridded prediction, which overcome serious disadvantages of pixelwise verification. However, neural networks (NN) in atmospheric science are almost always trained to optimize pixelwise loss functions, even when ultimately assessed with SV methods. This establishes a disconnect between model verification during vs. after training. To address this issue, we develop spatially enhanced loss functions (SELF) and demonstrate their use for a real-world problem: predicting the occurrence of thunderstorms (henceforth, "convection") with NNs. In each SELF we use either a neighbourhood filter, which highlights convection at scales larger than a threshold, or a spectral filter (employing Fourier or wavelet decomposition), which is more flexible and highlights convection at scales between two thresholds. We use these filters to spatially enhance common verification scores, such as the Brier score. We train each NN with a different SELF and compare their performance at many scales of convection, from discrete storm cells to tropical cyclones. Among our many findings are that (a) for a low (high) risk threshold, the ideal SELF focuses on small (large) scales; (b) models trained with a pixelwise loss function perform surprisingly well; (c) however, models trained with a spectral filter produce much better-calibrated probabilities than a pixelwise model. We provide a general guide to using SELFs, including technical challenges and the final Python code, as well as demonstrating their use for the convection problem. To our knowledge this is the most in-depth guide to SELFs in the geosciences.

Accurate and timely rain prediction is crucial for decision making and is also a challenging task. This paper presents a solution which won the 2 nd prize in the Weather4cast 2022 NeurIPS competition using 3D U-Nets and EarthFormers for 8-hour probabilistic rain prediction based on multi-band satellite images. The spatial context effect of the input satellite image has been deeply explored and optimal context range has been found. Based on the imbalanced rain distribution, we trained multiple models with different loss functions. To further improve the model performance, multi-model ensemble and threshold optimization were used to produce the final probabilistic rain prediction. Experiment results and leaderboard scores demonstrate that optimal spatial context, combined loss function, multi-model ensemble, and threshold optimization all provide modest model gain. A permutation test was used to analyze the effect of each satellite band on rain prediction, and results show that satellite bands signifying cloudtop phase (8.7 um) and cloud-top height (10.8 and 13.4 um) are the best predictors for rain prediction. The source code is available at https://github.com/bugsuse/weather4cast-2022-stage2.

最近，在气象学中使用机器学习大大增加了。尽管许多机器学习方法并不是什么新鲜事物，但有关机器学习的大学课程在很大程度上是气象学专业的学生，​​不需要成为气象学家。缺乏正式的教学导致人们认为机器学习方法是“黑匣子”，因此最终用户不愿在每天的工作流程中应用机器学习方法。为了减少机器学习方法的不透明性，并降低了对气象学中机器学习的犹豫，本文对一些最常见的机器学习方法进行了调查。一个熟悉的气象示例用于将机器学习方法背景化，同时还使用普通语言讨论机器学习主题。证明了以下机器学习方法：线性回归；逻辑回归；决策树；随机森林；梯度增强了决策树；天真的贝叶斯；并支持向量机。除了讨论不同的方法外，本文还包含有关通用机器学习过程的讨论以及最佳实践，以使读者能够将机器学习应用于自己的数据集。此外，所有代码（以Jupyter笔记本电脑和Google Colaboratory Notebooks的形式）用于在论文中进行示例，以促进气象学中的机器学习使用。

太阳能现在是历史上最便宜的电力形式。不幸的是，由于其变异性，显着提高栅格的太阳能的一部分仍然具有挑战性，这使得电力的供需平衡更加困难。虽然热发电机坡度 - 它们可以改变输出的最高速率 - 是有限的，太阳能的坡度基本上是无限的。因此，准确的近期太阳能预测或垂圈，对于提供预警来调整热发电机输出，以响应于太阳能变化来调整热发电机，以确保平衡供需。为了解决问题，本文开发了使用自我监督学习的丰富和易于使用的多光谱卫星数据的太阳能垂圈的一般模型。具体而言，我们使用卷积神经网络（CNN）和长短期内存网络（LSTM）开发深度自动回归模型，这些模型在多个位置训练全球培训，以预测最近推出的最近收集的时空数据的未来观察-R系列卫星。我们的模型估计了基于卫星观测的未来的太阳辐照度，我们向较小的场地特定的太阳能数据培训的回归模型提供，以提供近期太阳能光伏（PV）预测，其考虑了现场特征的特征。我们评估了我们在25个太阳能场所的不同覆盖区域和预测视野的方法，并表明我们的方法利用地面真理观察结果产生靠近模型的错误。

我们向传感器独立性（Sensei）介绍了一种新型神经网络架构 - 光谱编码器 - 通过该传感器独立性（Sensei） - 通过其中具有不同组合的光谱频带组合的多个多光谱仪器可用于训练广义深度学习模型。我们专注于云屏蔽的问题，使用几个预先存在的数据集，以及Sentinel-2的新的自由可用数据集。我们的模型显示在卫星上实现最先进的性能，它受过训练（Sentinel-2和Landsat 8），并且能够推断到传感器，它在训练期间尚未见过Landsat 7，每\ 'USAT-1，和Sentinel-3 SLST。当多种卫星用于培训，接近或超越专用单传感器型号的性能时，模型性能显示出改善。这项工作是激励遥感社区可以使用巨大各种传感器采取的数据的动机。这不可避免地导致标记用于不同传感器的努力，这限制了深度学习模型的性能，因为他们需要最佳地执行巨大的训练。传感器独立性可以使深度学习模型能够同时使用多个数据集进行培训，提高性能并使它们更广泛适用。这可能导致深入学习方法，用于在板载应用程序和地面分段数据处理中更频繁地使用，这通常需要模型在推出时或之后即将开始。

将间歇性可再生能源集成到大量的电网中是具有挑战性的。旨在解决这一困难的建立良好的方法涉及即将到来的能源供应可变性以适应电网的响应。在太阳能中，可以在全天空摄像机（前方30分钟）和卫星观测（提前6小时）的不同时间尺度上预测由遮挡云引起的短期变化。在这项研究中，我们将这两种互补的观点集成到单个机器学习框架中的云覆盖物上，以改善时间内（最高60分钟）的辐照度预测。确定性和概率预测均在不同的天气条件（晴朗，多云，阴天）以及不同的输入配置（天空图像，卫星观测和/或过去的辐照度值）中进行评估。我们的结果表明，混合模型在晴朗的条件下有益于预测，并改善了长期预测。这项研究为将来的新颖方法奠定了基础，即在单个学习框架中将天空图像和卫星观测结合起来，以推动太阳现象。

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）。

In intensively managed forests in Europe, where forests are divided into stands of small size and may show heterogeneity within stands, a high spatial resolution (10 - 20 meters) is arguably needed to capture the differences in canopy height. In this work, we developed a deep learning model based on multi-stream remote sensing measurements to create a high-resolution canopy height map over the "Landes de Gascogne" forest in France, a large maritime pine plantation of 13,000 km$^2$ with flat terrain and intensive management. This area is characterized by even-aged and mono-specific stands, of a typical length of a few hundred meters, harvested every 35 to 50 years. Our deep learning U-Net model uses multi-band images from Sentinel-1 and Sentinel-2 with composite time averages as input to predict tree height derived from GEDI waveforms. The evaluation is performed with external validation data from forest inventory plots and a stereo 3D reconstruction model based on Skysat imagery available at specific locations. We trained seven different U-net models based on a combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 bands to evaluate the importance of each instrument in the dominant height retrieval. The model outputs allow us to generate a 10 m resolution canopy height map of the whole "Landes de Gascogne" forest area for 2020 with a mean absolute error of 2.02 m on the Test dataset. The best predictions were obtained using all available satellite layers from Sentinel-1 and Sentinel-2 but using only one satellite source also provided good predictions. For all validation datasets in coniferous forests, our model showed better metrics than previous canopy height models available in the same region.

台湾对全球碎片流的敏感性和死亡人数最高。台湾现有的碎屑流警告系统，该系统使用降雨量的时间加权度量，当该措施超过预定义的阈值时，会导致警报。但是，该系统会产生许多错误的警报，并错过了实际碎屑流的很大一部分。为了改善该系统，我们实施了五个机器学习模型，以输入历史降雨数据并预测是否会在选定的时间内发生碎屑流。我们发现，随机的森林模型在五个模型中表现最好，并优于台湾现有系统。此外，我们确定了与碎屑流的发生密切相关的降雨轨迹，并探索了缺失碎屑流的风险与频繁的虚假警报之间的权衡。这些结果表明，仅在小时降雨数据中训练的机器学习模型的潜力可以挽救生命，同时减少虚假警报。

我们提出了一种基于机器学习的新型方法，用于从干涉数据中检测出星系尺度的重力透镜，特别是使用国际Lofar望远镜（ILT）采用的方法，该镜头是在150 MHz的频率上观察到北部无线电天空，该频率是350的角度分辨率。 MAS和90 Ujy Beam-1（1 Sigma）的灵敏度。我们开发并测试了几个卷积神经网络，以确定给定样品被归类为镜头或非镜头事件的概率和不确定性。通过对包括逼真的镜头和非镜头无线电源的模拟干涉成像数据集进行训练和测试，我们发现可以恢复95.3％的镜头样品（真正的正速率），仅污染仅为0.008来自非静态样品（假阳性速率）的含量。考虑到预期的镜头概率，结果导致了92.2％的镜头事件的样品纯度。我们发现，当镜头图像之间的最大图像分离大于合成光束尺寸的3倍时，网络结构是最健壮的，并且镜头图像具有至少与20个Sigma（点源）的总磁通密度相等）检测。对于ILT，这对应于爱因斯坦半径大于0.5 ARCSEC和一个无线电源群体的镜头样品，其150 MHz通量密度超过2 MJY。通过应用这些标准和我们的镜头检测算法，我们希望发现Lofar两米天空调查中包含的绝大多数星系尺度重力透镜系统。

通过卫星摄像机获取关于地球表面的大面积的信息使我们能够看到远远超过我们在地面上看到的更多。这有助于我们在检测和监测土地使用模式，大气条件，森林覆盖和许多非上市方面的地区的物理特征。所获得的图像不仅跟踪连续的自然现象，而且对解决严重森林砍伐的全球挑战也至关重要。其中亚马逊盆地每年占最大份额。适当的数据分析将有助于利用可持续健康的氛围来限制对生态系统和生物多样性的不利影响。本报告旨在通过不同的机器学习和优越的深度学习模型用大气和各种陆地覆盖或土地使用亚马逊雨林的卫星图像芯片。评估是基于F2度量完成的，而用于损耗函数，我们都有S形跨熵以及Softmax交叉熵。在使用预先训练的ImageNet架构中仅提取功能之后，图像被间接馈送到机器学习分类器。鉴于深度学习模型，通过传输学习使用微调Imagenet预训练模型的集合。到目前为止，我们的最佳分数与F2度量为0.927。

太阳能的高效整合到电力组合中取决于其间歇性的可靠预期。预测由云覆盖动态产生的太阳辐照度的时间变异的有希望的方法是基于地面天空图像或卫星图像序列的分析。尽管结果令人鼓舞，但现有深度学习方法的经常性限制在于对过去观察的反应而不是积极预期未来事件的无处不在的趋势。这导致频繁的时间滞后和有限的预测突发事件的能力。为了解决这一挑战，我们介绍了Eclipse，一种时空神经网络架构，即模型从天空图像模拟云运动，不仅预测未来的辐照水平，而且还可以在本地辐照度图上提供更丰富的信息。我们表明Eclipse预期关键事件，并在产生视觉上现实期货的同时降低时间延误。

预测野火蔓延对于土地管理和灾害准备至关重要。为此，我们呈现“第二天野火蔓延，”一种策划，大规模的多变量数据集，历史野火的历史野火占据了美国近十年的遥感数据。与基于地球观测卫星的现有火灾数据集相比，我们的数据集合了2D解释性变量（例如，地形，植被，天气，干旱指数，人口密度）与2D区域对齐，提供了丰富的数据为机器学习设置。为了演示该数据集的有用性，我们实现了一个卷积的AutoEncoder，它利用了该数据的空间信息来预测野火扩散。我们将神经网络与其他机器学习模型的性能进行比较：Logistic回归和随机林。该数据集可以用作基于遥感数据开发野火传播模型的基准，以便有一天的提前期。

Sunquakes are seismic emissions visible on the solar surface, associated with some solar flares. Although discovered in 1998, they have only recently become a more commonly detected phenomenon. Despite the availability of several manual detection guidelines, to our knowledge, the astrophysical data produced for sunquakes is new to the field of Machine Learning. Detecting sunquakes is a daunting task for human operators and this work aims to ease and, if possible, to improve their detection. Thus, we introduce a dataset constructed from acoustic egression-power maps of solar active regions obtained for Solar Cycles 23 and 24 using the holography method. We then present a pedagogical approach to the application of machine learning representation methods for sunquake detection using AutoEncoders, Contrastive Learning, Object Detection and recurrent techniques, which we enhance by introducing several custom domain-specific data augmentation transformations. We address the main challenges of the automated sunquake detection task, namely the very high noise patterns in and outside the active region shadow and the extreme class imbalance given by the limited number of frames that present sunquake signatures. With our trained models, we find temporal and spatial locations of peculiar acoustic emission and qualitatively associate them to eruptive and high energy emission. While noting that these models are still in a prototype stage and there is much room for improvement in metrics and bias levels, we hypothesize that their agreement on example use cases has the potential to enable detection of weak solar acoustic manifestations.