Next-Hour Lake-Effect Quantitative Precipitation Forecasts over the Great Lakes with Deep Learning
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Lake-effect precipitation, which significantly impacts regions downwind of the Great Lakes, poses unique forecasting challenges due to its dependence on localized processes and intricate interactions, making it an ideal candidate for deep learning. This study introduces a novel approach toward next-hour quantitative precipitation forecasts (QPFs) for lake-effect precipitation by leveraging an improved generative adversarial network (GAN). Key innovations include testing multiple input variable groupings, modernizing the generator and discriminator, and expanding predictions to four Great Lakes: Superior, Michigan, Erie, and Ontario. A UNetFormer generator and spectral normalization in the discriminator are added to a pix2pix GAN framework to predict next-hour QPF for lake-effect events. A novel dataset is developed for the model with High-Resolution Rapid Refresh (HRRR) and Multi-Radar Multi-Sensor (MRMS) system fields for input and MRMS precipitation estimates for the target. Five input variable groupings are tested to identify the optimal predictors for each of the four lakes, and saliency analysis is applied to identify the most important input variables. Two models are developed for each lake: one with a weighted loss function [Lake-Effect Snow Network–Aggressive (LESNet-A)] and one without [Lake-Effect Snow Network–Base (LESNet-B)]. The developed models outperform the HRRR’s predictions across all six metrics, with gains of over 100% over the HRRR in Pearson correlation coefficient and fractions skill score indicating superior forecasts in all precipitation intensities. LESNet-A performs better in heavier events, while LESNet-B performs better in lighter events. Both are comparable in light events. Their outstanding performance notably displays the significant potential of modernized GANs to advance lake-effect precipitation prediction. Significance Statement Lake-effect precipitation significantly impacts many communities across the world. Its highly localized and variable nature poses a significant challenge to forecasters in predicting it accurately and precisely. This study leverages recent advances in deep learning to improve precipitation forecasts during lake-effect events in the next hour. Deep learning enables models to learn patterns inherent to lake-effect precipitation autonomously. The models developed demonstrate superior performance to the state-of-the-art High-Resolution Rapid Refresh model in precipitation amounts and locations, with percent gains in all metrics and over 100% gains in Pearson correlation coefficient and fractions skill score. Their ability to more accurately and precisely predict precipitation reflects their capability to provide improved, invaluable forecasts to the public during lake-effect events.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
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.
score_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 découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».