Because of the impact of extreme heat waves and heat domes on society and biodiversity, their study is a key challenge. Physics driven weather forecast systems or climate models can be used to forecast their occurrence or predict their probability. The present work explores the use of deep learning architectures, trained using outputs of a climate model, as an alternative strategy to forecast extreme heatwave occurrences. This new approach will be useful for several key scientific goals which include the study of climate model statistics, building a quantitative proxy for resampling rare events in climate models, study the impact of climate change, and should eventually be useful for forecasting. Fulfilling these important goals implies addressing issues such as class-size imbalance that is intrinsically associated with rare event prediction, assessing the potential benefits of transfer learning to address the nested nature of extreme events (naturally included in less extreme ones). We train a Convolutional Neural Network, using $1000$ years of climate model outputs, with large-class undersampling and transfer learning. From the observed snapshots of the surface temperature and the $500$ hPa geopotential height fields, the trained network achieves significant performance in forecasting the occurrence of long lasting extreme heatwaves. We are able to predict them at three different levels of intensity, and as early as $15$ days ahead of the start of the event ($30$ days ahead of the end of the event).


翻译:物理驱动的天气预报系统或气候模型可以用来预测其发生或预测其概率。 目前的工作探索了使用深学习结构,培训后使用气候模型的产出,以此作为预测极端热浪发生的替代战略。这一新方法将有益于几个关键科学目标,其中包括气候模型统计研究,为在气候模型中复制稀有事件建立数量替代物,研究气候变化的影响,最终应可用于预测。实现这些重要目标意味着解决诸如与罕见事件预测内在相关的阶级规模不平衡等问题,评估转移学习的潜在好处,以应对极端事件(自然地包括在不极端事件中)。我们用1,000美元的气候模型产出,用一流的下流和转移学习,培训一个动态神经网络。从观测到的地表温度和500美元的HPA地貌高度田,经过培训的网络在预测长期极端事件发生时取得了显著的绩效(3天前的极端事件预测 ) 。我们有能力在15天的早期预报中完成。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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