論文の概要: A Practical Probabilistic Benchmark for AI Weather Models

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.15305v1
• Date: Sat, 27 Jan 2024 05:53:16 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-01-30 18:47:48.529900
• Title: A Practical Probabilistic Benchmark for AI Weather Models
• Title（参考訳）: AI気象モデルのための実践的確率的ベンチマーク
• Authors: Noah D. Brenowitz and Yair Cohen and Jaideep Pathak and Ankur Mahesh and Boris Bonev and Thorsten Kurth and Dale R. Durran and Peter Harrington and Michael S. Pritchard
• Abstract要約: 我々は、GraphCastとPanguの2つの主要なAI天気モデルが確率論的CRPSメトリクスに結びついていることを示す。 また、多くのデータ駆動気象モデルが採用している複数の時間-ステップ損失関数が、非生産的であることも明らかにした。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.8278356279004184
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Since the weather is chaotic, forecasts aim to predict the distribution of future states rather than make a single prediction. Recently, multiple data driven weather models have emerged claiming breakthroughs in skill. However, these have mostly been benchmarked using deterministic skill scores, and little is known about their probabilistic skill. Unfortunately, it is hard to fairly compare AI weather models in a probabilistic sense, since variations in choice of ensemble initialization, definition of state, and noise injection methodology become confounding. Moreover, even obtaining ensemble forecast baselines is a substantial engineering challenge given the data volumes involved. We sidestep both problems by applying a decades-old idea -- lagged ensembles -- whereby an ensemble can be constructed from a moderately-sized library of deterministic forecasts. This allows the first parameter-free intercomparison of leading AI weather models' probabilistic skill against an operational baseline. The results reveal that two leading AI weather models, i.e. GraphCast and Pangu, are tied on the probabilistic CRPS metric even though the former outperforms the latter in deterministic scoring. We also reveal how multiple time-step loss functions, which many data-driven weather models have employed, are counter-productive: they improve deterministic metrics at the cost of increased dissipation, deteriorating probabilistic skill. This is confirmed through ablations applied to a spherical Fourier Neural Operator (SFNO) approach to AI weather forecasting. Separate SFNO ablations modulating effective resolution reveal it has a useful effect on ensemble dispersion relevant to achieving good ensemble calibration. We hope these and forthcoming insights from lagged ensembles can help guide the development of AI weather forecasts and have thus shared the diagnostic code.
• Abstract（参考訳）: 天気はカオスであるため、予測は単一の予測ではなく、将来の状態の分布を予測することを目的としている。 最近、複数のデータ駆動気象モデルがスキルのブレークスルーを主張している。 しかし、これらは主に決定論的スキルスコアを用いてベンチマークされており、その確率的スキルについてはほとんど知られていない。 残念ながら、アンサンブル初期化の選択、状態の定義、ノイズ注入方法論のバリエーションが一体化しているため、aiの気象モデルを確率的に比較することは難しい。 さらに、関連するデータ量を考えると、アンサンブル予測ベースラインを取得することさえ、かなりのエンジニアリング上の課題である。 我々は、何十年も前からあるアイデア、ラッジ・アンサンブル(Lagged ensembles)を適用して、両方の問題を横取りし、中程度のサイズの決定論的予測ライブラリからアンサンブルを構築することができる。 これにより、AI天気モデルの運用ベースラインに対する確率的スキルの最初のパラメータフリー比較が可能になる。 その結果、前者が決定論的スコアで後者を上回っているにもかかわらず、主要な2つのAI天気モデル、すなわちGraphCastとPanguが確率論的CRPSメトリクスに結びついていることが判明した。 また、多くのデータ駆動型気象モデルが採用している複数の時間ステップ損失関数が、非生産的であることも明らかにしている。 これは、AI天気予報に対する球状フーリエニューラル演算子(SFNO)アプローチの適用により確認される。 有効解像度を変調する別々のsfnoアブレーションは、適切なアンサンブルキャリブレーションの達成に関連するアンサンブル分散に有用な効果を示す。 タグ付けされたアンサンブルからのこれらと今後の洞察が、AI天気予報の開発をガイドし、診断コードを共有できることを願っている。

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