Verbesserung der statistischen Zuverlässigkeit von Wettervorhersagen durch maschinelles Lernen

Ein globales Forscherteam hat Fortschritte bei der Verfeinerung der Wettervorhersagemethoden gemacht, mit besonderem Schwerpunkt auf der Lösung des anhaltenden Problems der „Quantilüberschreitung“. Dieses Phänomen stört die Reihenfolge der vorhergesagten Werte in Wettervorhersagen und ergibt sich aus dem Prozess der numerischen Wettervorhersage (NWP), einer zweistufigen Vorhersagemethode, die Beobachtungen und Gesetze der atmosphärischen Entwicklung einbezieht.

Trotz NWP-Fortschritten liefern Modelle immer noch voreingenommene und unzureichend gestreute Prognosen. Um dies zu mildern, wurden in früheren Versuchen nichtparametrische Methoden wie Quantile Regression Neural Networks (QRNN) und ihre Varianten untersucht, die darauf ausgelegt sind, Quantile auszugeben, die Wertränge in der Prognoseverteilung widerspiegeln. Bei diesen Methoden kommt es jedoch häufig zu „Quantilüberschreitungen“, was die Prognoseinterpretation erschwert.

Ad-hoc-Lösungen wie die naive Sortierung haben das Kernproblem nicht gelöst. Hier ist der Durchbruch des Teams: das Modell des Non-Crossing Quantile Regression Neural Network (NCQRNN).

Diese Innovation wurde von Professor Dazhi Yang und seinen Mitarbeitern vom Harbin Institute of Technology, dem Karlsruher Institut für Technologie, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der National University of Singapore, UK Power Networks, der China Meteorological Administration, dem Heilongjiang Meteorological Bureau und der Universität Budapest entwickelt of Technology and Economics, optimiert die traditionelle QRNN-Struktur. Das NCQRNN-Modell modifiziert die Struktur des traditionellen QRNN, indem es eine neue Schicht hinzufügt, die die Rangfolge der Ausgabeknoten beibehält, sodass die niedrigeren Quantile immer kleiner als die höheren sein müssen, ohne dass die Genauigkeit verloren geht.

Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Fortschritte in den Atmosphärenwissenschaften.

Professor Yang betont: „Unser NCQRNN-Modell behält die natürliche Reihenfolge der Prognosewerte bei und stellt sicher, dass niedrigere Quantile kleiner bleiben als höhere. Dies erhöht die Genauigkeit und verbessert die Interpretierbarkeit der Prognose erheblich.“

Dr. Martin J. Mayer von der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest fügt hinzu: „Die Idee ist einfach, aber effektiv: Das neuronale Netzwerk lernt indirekt die Unterschiede zwischen den Quantilen als Zwischenvariablen und nutzt diese nichtnegativen Werte additiv zur Schätzung.“ die Quantile, was von Natur aus deren zunehmende Ordnung garantiert.“

„Darüber hinaus kann diese sich nicht kreuzende Schicht zu einer Vielzahl unterschiedlicher neuronaler Netzwerkstrukturen hinzugefügt werden, was die breite Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Technik gewährleistet.“

Tatsächlich zeigte dieser innovative Ansatz des maschinellen Lernens bei erfolgreicher Anwendung auf Vorhersagen der Sonneneinstrahlung erhebliche Verbesserungen gegenüber bestehenden Modellen. Sein anpassungsfähiges Design ermöglicht eine nahtlose Integration in verschiedene Wettervorhersagesysteme und verspricht klarere und zuverlässigere Vorhersagen für eine Reihe von Wettervariablen.

Dr. Sebastian Lerch vom Karlsruher Institut für Technologie sagt: „Das vorgeschlagene neuronale Netzmodell zur Quantilregression ist sehr allgemein und kann mit minimalen Anpassungen auf andere Zielgrößen angewendet werden. Daher wird die Methode auch für andere Wetter- und Klimabereiche interessant sein.“ Anwendungen, die über die Vorhersage der Sonneneinstrahlung hinausgehen.

Dr. Xiang’ao Methoden zu numerischen Wettervorhersagemodellen, um die Genauigkeit von Wettervorhersagen und Klimavorhersagen zu verbessern.“

Das internationale Forschungsteam besteht aus Personen mit unterschiedlichem Hintergrund in den Bereichen Atmosphärenwissenschaften, Solarenergie, Computerstatistik, Ingenieurwesen und Datenwissenschaften. Bemerkenswert ist, dass bestimmte an dieser Studie beteiligte Teammitglieder daran mitgearbeitet haben eine Rezensionsarbeit Erläuterung grundlegender Konzepte und jüngster Fortschritte bei Solarstromkurven.

Veröffentlicht am 1. März in Fortschritte in den AtmosphärenwissenschaftenDieses Übersichtspapier schafft nicht nur ein fundiertes Verständnis der Prinzipien der Solarstromkurvenmodellierung, sondern fungiert auch als Brückenkopf für Atmosphärenforscher und verbindet ihr Wissen über Strahlung mit der praktischen Nutzung von Solarenergie.