Deep-Learning-Based Gridded Downscaling of Surface Meteorological Variables in Complex Terrain. Part II: Daily Precipitation

缩小尺度 降水 地形 气候学 仰角(弹道) 计算机科学 一般化 环境科学 气象学 人工智能 地质学 数学 地理 地图学 几何学 数学分析
作者
Yingkai Sha,David John Gagne,Gregory West,Roland B. Stull
出处
期刊:Journal of Applied Meteorology and Climatology [American Meteorological Society]
卷期号:59 (12): 2075-2092 被引量:94
标识
DOI:10.1175/jamc-d-20-0058.1
摘要

Abstract Statistical downscaling (SD) derives localized information from larger-scale numerical models. Convolutional neural networks (CNNs) have learning and generalization abilities that can enhance the downscaling of gridded data (Part I of this study experimented with 2-m temperature). In this research, we adapt a semantic-segmentation CNN, called UNet, to the downscaling of daily precipitation in western North America, from the low resolution (LR) of 0.25° to the high resolution (HR) of 4-km grid spacings. We select LR precipitation, HR precipitation climatology, and elevation as inputs; train UNet over the subset of the south- and central-western United States using Parameter–Elevation Regressions on Independent Slopes Model (PRISM) data from 2015 to 2018, and test it independently in all available domains from 2018 to 2019. We proposed an improved version of UNet, which we call Nest-UNet, by adding deep-layer aggregation and nested skip connections. Both the original UNet and Nest-UNet show generalization ability across different regions and outperform the SD baseline (bias-correction spatial disaggregation), with lower downscaling error and more accurate fine-grained textures. Nest-UNet also shares the highest amount of information with station observations and PRISM, indicating good ability to reduce the uncertainty of HR downscaling targets.
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