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Enregistrement W4386925640 · doi:10.1175/aies-d-23-0015.1

Algorithmic Hallucinations of Near-Surface Winds: Statistical Downscaling with Generative Adversarial Networks to Convection-Permitting Scales

2023· article· en· W4386925640 sur OpenAlexafffund
Nicolaas J. Annau, Alex J. Cannon, Adam H. Monahan

Notice bibliographique

RevueArtificial Intelligence for the Earth Systems · 2023
Typearticle
Langueen
DomaineEarth and Planetary Sciences
ThématiqueMeteorological Phenomena and Simulations
Établissements canadiensUniversity of VictoriaEnvironment and Climate Change Canada
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésDownscalingComputer scienceEmulationStatistical powerFocus (optics)Convolutional neural networkArtificial intelligenceArtificial neural networkFeature (linguistics)Image resolutionMachine learningPattern recognition (psychology)MeteorologyMathematicsPhysicsOpticsStatistics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract This paper explores the application of emerging machine learning methods from image super resolution (SR) to the task of statistical downscaling. We specifically focus on convolutional neural network–based generative adversarial networks (GANs). Our GANs are conditioned on low-resolution (LR) inputs to generate high-resolution (HR) surface winds emulating Weather Research and Forecasting (WRF) Model simulations over North America. Unlike traditional SR models, where LR inputs are idealized coarsened versions of the HR images, WRF emulation involves using nonidealized LR and HR pairs, resulting in shared-scale mismatches due to internal variability. Our study builds upon current SR-based statistical downscaling by experimenting with a novel frequency-separation (FS) approach from the computer vision field. To assess the skill of SR models, we carefully select evaluation metrics and focus on performance measures based on spatial power spectra. Our analyses reveal how GAN configurations influence spatial structures in the generated fields, particularly biases in spatial variability spectra. Using power spectra to evaluate the FS experiments reveals that successful applications of FS in computer vision do not translate to climate fields. However, the FS experiments demonstrate the sensitivity of power spectra to a commonly used GAN-based SR objective function, which helps interpret and understand its role in determining spatial structures. This result motivates the development of a novel partial frequency-separation scheme as a promising configuration option. We also quantify the influence on GAN performance of nonidealized LR fields resulting from internal variability. Furthermore, we conduct a spectrum-based feature-importance experiment, allowing us to explore the dependence of the spatial structure of generated fields on different physically relevant LR covariates. Significance Statement We use artificial intelligence algorithms to mimic wind patterns from high-resolution climate models, offering a faster alternative to running these models directly. Unlike many similar approaches, we use datasets that acknowledge the essentially stochastic nature of the downscaling problem. Drawing inspiration from computer vision studies, we design several experiments to explore how different configurations impact our results. We find evaluation methods based on spatial frequencies in the climate fields to be quite effective at understanding how algorithms behave. Our results provide valuable insights into and interpretations of the methods for future research in this field.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,783
Score d'incertitude au seuil0,591

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,001
Études des sciences et des technologies0,0010,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,057
Tête enseignante GPT0,285
Écart entre enseignants0,227 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations15
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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