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Using Deep Learning to Nowcast the Spatial Coverage of Convection from Himawari-8 Satellite Data

卫星 气象学 临近预报 计算机科学 深度学习 多光谱图像 雷雨 基本事实 环境科学 雷达 人工智能 地理 电信 工程类 航空航天工程
作者
Ryan Lagerquist,Jebb Q. Stewart,Imme Ebert‐Uphoff,Kumler, Christina
出处
期刊:Monthly Weather Review [American Meteorological Society]
卷期号:149 (12): 3897-3921 被引量:49
标识
DOI:10.1175/mwr-d-21-0096.1
摘要

Abstract Predicting the timing and location of thunderstorms (“convection”) allows for preventive actions that can save both lives and property. We have applied U-nets, a deep-learning-based type of neural network, to forecast convection on a grid at lead times up to 120 min. The goal is to make skillful forecasts with only present and past satellite data as predictors. Specifically, predictors are multispectral brightness-temperature images from the Himawari-8 satellite, while targets (ground truth) are provided by weather radars in Taiwan. U-nets are becoming popular in atmospheric science due to their advantages for gridded prediction. Furthermore, we use three novel approaches to advance U-nets in atmospheric science. First, we compare three architectures—vanilla, temporal, and U-net++—and find that vanilla U-nets are best for this task. Second, we train U-nets with the fractions skill score, which is spatially aware, as the loss function. Third, because we do not have adequate ground truth over the full Himawari-8 domain, we train the U-nets with small radar-centered patches, then apply trained U-nets to the full domain. Also, we find that the best predictions are given by U-nets trained with satellite data from multiple lag times, not only the present. We evaluate U-nets in detail—by time of day, month, and geographic location—and compare them to persistence models. The U-nets outperform persistence at lead times ≥ 60 min, and at all lead times the U-nets provide a more realistic climatology than persistence. Our code is available publicly.
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