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。

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。

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。

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 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.

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。

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.

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。

我们介绍了Encoder-Forecaster卷积的长短短期记忆（LSTM）深度学习模型，为微软天气的运营降水Newcasting产品提供动力。该模型作为输入一系列天气雷达马赛克，并确定在最多6小时内的铅倍时确定未来雷达反射率。通过沿着特征维度堆叠大型输入接收领域，并通过从基于物理的高分辨率快速刷新（HRRR）模型的预测，通过预测来调节模型的预测，我们能够在多个度量标准上以20-25％的光流和HRRR基线优于光流量和HRRR基线平均在所有交货时间上。

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。

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。

谷歌的运营洪水预测系统是制定的，为机构和公众提供准确的实时洪水警告，重点是河流洪水在大型潮流的河流中。它在2018年开始运作，自从地理位置扩展以来。该预测系统由四个子系统组成：数据验证，阶段预测，淹没建模和警报分配。机器学习用于两个子系统。阶段预测采用长短期内存（LSTM）网络和线性模型进行建模。使用阈值和歧管模型计算洪水淹没，前者计算淹没程度，后者计算淹没程度和深度。本文首次提供的歧管模型提供了一种机器学习替代洪水淹没的液压建模。在评估历史数据时，所有型号都可以实现可操作使用的足够高的度量指标。 LSTM表现出比线性模型更高的技能，而阈值和歧管模型达到了类似的性能度量，以便在淹没程度上进行建模。在2021年的季风季节期间，洪水预警系统在印度和孟加拉国运营，覆盖河流的洪水区，总面积287,000平方公里，拥有350多万人。超过100米的洪水警报被发送给受影响的人口，相关当局以及紧急组织。系统上的当前和未来的工作包括将覆盖范围扩展到额外的洪水易发位置，以及提高建模能力和准确性。

我们基于技能评分，对确定性太阳预测进行了首次全面的荟萃分析，筛选了Google Scholar的1,447篇论文，并审查了320篇论文的全文以进行数据提取。用多元自适应回归样条模型，部分依赖图和线性回归构建和分析了4,758点的数据库。值得注意的是，分析说明了数据中最重要的非线性关系和交互项。我们量化了对重要变量的预测准确性的影响，例如预测范围，分辨率，气候条件，区域的年度太阳辐照度水平，电力系统大小和容量，预测模型，火车和测试集以及使用不同的技术和投入。通过控制预测之间的关键差异，包括位置变量，可以在全球应用分析的发现。还提供了该领域科学进步的概述。

降雨事件的遥感对于运营和科学需求至关重要，包括天气预报，极端洪水，水循环监测等。降水量的降水量。然而，这种雷达的观察范围仅限于几百公里，促使对其他遥感方法的探索，在开阔的海洋上，这代表了不被陆基雷达覆盖的大面积。几十年来，众所周知，诸如Sentinel-1图像之类的C波段SAR图像在海面上表现出降雨签名。但是，SAR来源的降雨产品的开发仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一种深度学习方法，以从SAR图像中提取降雨信息。我们证明，在接触和预处理的Sentinel-1/Nexrad数据集中训练的卷积神经网络，例如U-NET，显然优于最先进的过滤方案。我们的结果表明，在分割降水状态下的性能高，由1、3和10 mm/h的阈值描绘。与当前依靠Koch过滤器绘制二进制降雨图的方法相比，这些基于多阈值的模型可以为更高的风速提供降雨估计，因此对于数据同化天气预测或提高SAR的资格可能引起了极大的兴趣 - 衍生的风场数据。

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.

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。

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.

气候变化所扩大的极端天气正在造成全球日益毁灭性的影响。由于高计算成本和严格的时间到解决方案限制，目前基于物理的数值天气预测（NWP）的使用限制了精度。我们报告说，数据驱动的深度学习地球系统模拟器Fourcastnet可以预测全球天气，并在接近最先进的准确性的同时，比NWP更快地产生五个量子的预测。四个超级计算系统（Selene，Perlmutter和Juwels Booster高达3,808 nvidia a100 GPU）在三个超级计算系统上进行了优化，并有效地缩放，并在混合精度中获得140.8 PETAFLOPS（该规模的峰值为11.9％）。在3,072GPU上在Juwels Booster上测量的训练四界的时间到达的时间为67.4分钟，相对于最新的NWP，在推理中，相对于最先进的NWP的时间更快。 Fourcastnet提前一周可产生准确的瞬时天气预测，使巨大的合奏更好地捕捉了极端天气，并支持更高的全球预测决议。

熟练的水流预测可以为水政策和管理各个领域的决策提供信息。我们集成了数值天气预测集合和分布式水文模型，以在中范围的交货时间（1-7天）下生成集合流量预测。我们展示了一项用于在美国东部的Susquehanna河流盆地的后处理过程中进行机器学习应用的案例研究。为了进行预测验证，我们使用不同的指标，例如技能得分和可靠性图，以提前时间，流量阈值和季节为条件。验证结果表明，机器学习后处理器可以改善相对于低复杂性预测（例如气候和时间持久性）以及确定性和原始集合预测的水流预测。与原始合奏相比，与较短的交货时间相比，在中等时间表的相对增益在后期时间表通常更高。与低压流相比，高流量和与凉爽的流量相比。总体而言，我们的结果突出了机器学习在许多方面的好处，以提高流量预测的技能和可靠性。

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。