Даунскейлинг

Даунскейлинг — это любая процедура, позволяющая получить информацию с высоким разрешением из переменных с низким разрешением. Этот метод основан на динамических или статистических подходах, обычно используемых в нескольких дисциплинах, особенно в метеорологии , климатологии и дистанционном зондировании . ^[1]^[2] Термин «уменьшение масштаба» обычно относится к увеличению пространственного разрешения , но он также часто используется для обозначения временного разрешения . ^[3]^[4] Это не следует путать с уменьшением размера изображения, которое представляет собой процесс уменьшения изображения с более высокого разрешения до более низкого.

Метеорология и климатология

Глобальные климатические модели (ГКМ), используемые для изучения климата и климатических прогнозов, обычно выполняются с пространственным разрешением порядка 150–200 км. ^[5] и ограничены в своей способности разрешать важные особенности подсеточного масштаба, такие как конвекционные облака и топография . В результате прогнозы, основанные на GCM, могут оказаться ненадежными для изучения местных последствий.

Чтобы преодолеть эту проблему, даунскейлинга разрабатываются методы для получения данных о погоде и климате местного масштаба , особенно на уровне поверхности, из атмосферных переменных регионального масштаба, предоставляемых МОЦ. Существуют две основные формы метода даунскейлинга. Одной из форм является динамическое уменьшение масштаба , при котором выходные данные GCM используются для создания региональной числовой модели с более высоким пространственным разрешением, которая, следовательно, позволяет более детально моделировать местные условия. Другая форма — статистическое даунскейлинг , при котором статистическая взаимосвязь устанавливается на основе наблюдений между крупномасштабными переменными, такими как атмосферное приземное давление, и локальной переменной, такой как скорость ветра в определенном месте. Затем эта связь используется в данных GCM для получения локальных переменных из выходных данных GCM.

Уилби и Вигли разделили методы метеорологического даунскейлинга на четыре категории: ^[6] методы регрессии , подходы, основанные на погодных условиях, генераторы стохастической погоды, которые все являются методами статистического даунскейлинга, и моделирование ограниченной территории (что соответствует методам динамического даунскейлинга ). Среди этих подходов предпочтение отдается методам регрессии из-за их относительной простоты реализации и низких требований к вычислениям.Кроме того, можно применить полумеханический подход к уменьшению масштаба, который, например, используется для данных CHELSA о выходных данных уменьшенной модели. В этом примере алгоритм температуры основан на статистическом уменьшении масштаба, а алгоритм осадков включает орографические предикторы с последующей коррекцией систематической ошибки. ^[7]

Примеры

В 2007 году Бюро мелиорации США сотрудничало с Национальной лабораторией энергетических технологий Министерства энергетики США (DOE NETL), Университетом Санта-Клары (SCU), Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса Калифорнийского университета. (LLNL) и Институтом исследований изменения климата и социальных последствий Воздействия (IRCCSI) для применения проверенного метода под названием «Пространственная дезагрегация с коррекцией смещения» BCSD; ^[8] см. также раздел «О программе» на веб-сайте, где представлены 112 современных прогнозов глобального климата, предоставленных в рамках проекта взаимного сравнения парных моделей Всемирной программы исследований климата, этап 3 (WCRP CMIP3). Эти прогнозы представляют собой 16 МОЦ, моделирующих реакцию климата на три сценария выбросов ПГ из множества исходных условий климатической системы.

В результате этих усилий были разработаны 112 ежемесячных прогнозов температуры и осадков над континентальной частью США с пространственным разрешением 1/8 ° (12 километров (7,5 миль)) в течение периода моделирования климата 1950–2099 годов.

КОРДЕКС

Скоординированный эксперимент по региональному даунскейлингу (CORDEX) был инициирован в 2009 году с целью обеспечить основу для оценки и сравнения эффективности модели даунскейлинга, а также определить набор экспериментов для создания климатических прогнозов для использования в исследованиях воздействия и адаптации. ^[9]^[10] Эксперименты CORDEX по изменению климата проводятся в рамках Всемирной программы исследований климата, проекта взаимного сравнения связанных моделей этап 5 (CMIP5). ^[11] Выходы GCM . CORDEX определил 14 регионов или доменов даунскейлинга.

Ссылки

Хессами М., Карда, ТБМЖ, Гачон П., Сент-Алер А., Сельва Ф. и Боби Б., «Оценка метода статистического даунскейлинга в нескольких регионах восточной Канады», 57-я Канадская ассоциация водных ресурсов Ежегодный конгресс, 2004 г.
Ким, Дж.В., Чанг, Дж.Т., Бейкер, Н.Л., Уилкс, Д.С., Гейтс, У.Л., 1984. Статистическая проблема инверсии климата: определение взаимосвязи между локальным и крупномасштабным климатом. Ежемесячный обзор погоды 112, 2069–2077 гг.
Мараун, Д., Веттерхолл, Ф., Айресон, А.М., Чендлер, Р.Э., Кендон, Э.Дж., Видманн, М., Бриенен, С., Раст, Х.В., Заутер, Т., Темессл, М., Венема ВКЦ, Чун , К.П., Гудесс, К.М., Джонс, Р.Г., Оноф К., Врак М. и Тиле-Айх, И., «Уменьшение масштаба осадков в условиях изменения климата. Последние разработки по преодолению разрыва между динамическими моделями и конечным пользователем», Rev. Геофиз. 48, RG3003, 2010.
Мараун Д. и Видманн М., «Статистическое даунскейлинг и коррекция смещения для исследований климата», Cambridge University Press, Кембридж, 2018.
Сахур Х., Султан М., Вазифедан М., Абдельмохсен К., Карки С., Йеллич Дж. А., Гебремайкл Э., Альшехри Ф., Эльбайюми ТМ (2020). Статистические приложения для уменьшения масштаба данных о запасах наземной воды, полученных с помощью GRACE, и заполнения временных пробелов. Дистанционное зондирование, 12(3), 533. https://doi.org/10.3390/rs12030533.
фон Сторх, Х., Зорита, Э., Кубаш, У., 1993. Приведение оценок глобального изменения климата к региональным масштабам: применение к иберийским дождям в зимнее время. Журнал климата 6, 1161–1171.
Уилби Р.Л. и Вигли ТМЛ (1997) Даунскейлинг результатов модели общей циркуляции: обзор методов и ограничений, Progress in Physical Geography, 21, 530–548.
Уилби Р.Л., Доусон К.В. и Барроу Э.М. (2002) SDSM – инструмент поддержки принятия решений для оценки воздействия регионального изменения климата, Моделирование окружающей среды и программное обеспечение, 17, 147–159.
Вуд А.В., Люнг Л.5 Р., Шридхар В. и Леттенмайер Д.П .: Гидрологические последствия динамических и статистических подходов к уменьшению масштаба результатов климатических моделей, Climatic Change, 62, 189–216, 2004.
Мелиорация и др. «Коррекция систематической ошибки и уменьшенные прогнозы климата и гидрологии WCRP CMIP3» < http://gdo-dcp.ucllnl.org/downscaled_cmip3_projections/ >
Сюй, З. и З.-Л. Ян, (2012) Усовершенствованный метод динамического даунскейлинга с поправками на смещение GCM и его проверка с помощью 30-летнего климатического моделирования. Дж. Климат, 25, 6271–6286.
Сюй, З. и З.-Л. Ян, (2015) Новый подход к динамическому уменьшению масштаба с коррекцией смещения GCM и спектральным сдвигом. Дж. Геофиз. Рез. Атмос., дои : 10.1002/2014JD022958

Примечания

^ Рибалайгуа, Дж.; Торрес, Л.; Портолес, Дж.; Монджо, Р.; Гайтан, Э.; Пино, MR (2013). «Описание и проверка двухэтапного метода аналогового/регрессионного даунскейлинга». Теоретическая и прикладная климатология . 114 (1–2): 253–269. Бибкод : 2013ThApC.114..253R . дои : 10.1007/s00704-013-0836-x . S2CID 52253427 .
^ Пэн, Дж.; Лоу, А.; Мерлин, О.; Верхест, NEC (2017). «Обзор пространственного уменьшения влажности почвы, измеренной с помощью спутников» . Обзоры геофизики . 55 (2): 341. Бибкод : 2017RvGeo..55..341P . дои : 10.1002/2016RG000543 . hdl : 11858/00-001M-0000-002D-3843-0 . S2CID 73579104 .
^ Ли, Т.; Чон, К. (2014). «Непараметрическое статистическое временное преобразование суточных осадков до почасовых и последствия для сценариев изменения климата». Журнал гидрологии . 510 : 182–196. Бибкод : 2014JHyd..510..182L . doi : 10.1016/j.jгидроl.2013.12.027 .
^ Монджо, Р. (2016). «Измерение временной структуры осадков с использованием безразмерного n-индекса» . Климатические исследования . 67 (1): 71–86. Бибкод : 2016ClRes..67...71M . дои : 10.3354/cr01359 . (pdf)
^ Изменение, Межправительственная группа экспертов по климату (март 2014 г.). «Оценка климатических моделей» . В Межправительственной группе экспертов по изменению климата (ред.). Изменение климата, 2013 г. — Физические научные основы (PDF) . стр. 741–866. дои : 10.1017/cbo9781107415324.020 . ISBN 9781107415324 . Проверено 6 августа 2019 г. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )
^ Уилби, РЛ; Вигли, ТМЛ (1997). «Уменьшение масштаба результатов модели общей циркуляции: обзор методов и ограничений». Успехи физической географии . 21 (4): 530–548. дои : 10.1177/030913339702100403 . S2CID 18058016 .
^ Каргер, Д.Н.; Конрад, О.; Бёнер, Дж.; Каволь, Т.; Крефт, Х.; Сория-Ауза, RW; Циммерманн, штат Невада; Линдер, П.; Кесслер, М. (2017). «Климатология высокого разрешения для территорий суши Земли» . Научные данные . 4 (170122): 170122. Бибкод : 2017NatSD...470122K . дои : 10.1038/sdata.2017.122 . ПМЦ 5584396 . ПМИД 28872642 .
^ Вуд, AW; Люнг, ЛР; Шридхар, В.; Леттенмайер, ДП (1 января 2004 г.). «Гидрологические последствия динамических и статистических подходов к уменьшению масштаба результатов климатических моделей». Климатические изменения . 62 (1–3): 189–216. дои : 10.1023/B:CLIM.0000013685.99609.9e . ISSN 0165-0009 . S2CID 27377984 .
^ «КАБ Директ» . www.cabdirect.org . Проверено 6 августа 2019 г.
^ Гутовски-младший, Уильям Дж.; Джорджи, Филиппо; Тимбал, Бертран; Фригон, Энн; Джейкоб, Даниэла ; Кан, Хён Сок; Рагхаван, Кришнан; Ли, Борам; Леннард, Кристофер (17 ноября 2016 г.). «Координируемый WCRP региональный эксперимент по даунскейлингу (CORDEX): диагностический MIP для CMIP6» . Разработка геонаучной модели . 9 (11): 4087–4095. Бибкод : 2016GMD.....9.4087G . дои : 10.5194/gmd-9-4087-2016 . HDL : 11336/29500 . ISSN 1991-9603 .
^ Тейлор, Карл Э.; Стоуффер, Рональд Дж.; Мил, Джеральд А. (7 октября 2011 г.). «Обзор CMIP5 и плана эксперимента» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 93 (4): 485–498. дои : 10.1175/BAMS-D-11-00094.1 . ISSN 0003-0007 .

[Ribalaygua-1] Рибалайгуа, Дж.; Торрес, Л.; Портолес, Дж.; Монджо, Р.; Гайтан, Э.; Пино, MR (2013). «Описание и проверка двухэтапного метода аналогового/регрессионного даунскейлинга». Теоретическая и прикладная климатология . 114 (1–2): 253–269. Бибкод : 2013ThApC.114..253R . дои : 10.1007/s00704-013-0836-x . S2CID 52253427 .

[2] Пэн, Дж.; Лоу, А.; Мерлин, О.; Верхест, NEC (2017). «Обзор пространственного уменьшения влажности почвы, измеренной с помощью спутников» . Обзоры геофизики . 55 (2): 341. Бибкод : 2017RvGeo..55..341P . дои : 10.1002/2016RG000543 . hdl : 11858/00-001M-0000-002D-3843-0 . S2CID 73579104 .

[3] Ли, Т.; Чон, К. (2014). «Непараметрическое статистическое временное преобразование суточных осадков до почасовых и последствия для сценариев изменения климата». Журнал гидрологии . 510 : 182–196. Бибкод : 2014JHyd..510..182L . doi : 10.1016/j.jгидроl.2013.12.027 .

[4] Монджо, Р. (2016). «Измерение временной структуры осадков с использованием безразмерного n-индекса» . Климатические исследования . 67 (1): 71–86. Бибкод : 2016ClRes..67...71M . дои : 10.3354/cr01359 . (pdf)

[5] Изменение, Межправительственная группа экспертов по климату (март 2014 г.). «Оценка климатических моделей» . В Межправительственной группе экспертов по изменению климата (ред.). Изменение климата, 2013 г. — Физические научные основы (PDF) . стр. 741–866. дои : 10.1017/cbo9781107415324.020 . ISBN 9781107415324 . Проверено 6 августа 2019 г. {{cite book}}: |website= игнорируется ( помогите )

[6] Уилби, РЛ; Вигли, ТМЛ (1997). «Уменьшение масштаба результатов модели общей циркуляции: обзор методов и ограничений». Успехи физической географии . 21 (4): 530–548. дои : 10.1177/030913339702100403 . S2CID 18058016 .

[7] Каргер, Д.Н.; Конрад, О.; Бёнер, Дж.; Каволь, Т.; Крефт, Х.; Сория-Ауза, RW; Циммерманн, штат Невада; Линдер, П.; Кесслер, М. (2017). «Климатология высокого разрешения для территорий суши Земли» . Научные данные . 4 (170122): 170122. Бибкод : 2017NatSD...470122K . дои : 10.1038/sdata.2017.122 . ПМЦ 5584396 . ПМИД 28872642 .

[8] Вуд, AW; Люнг, ЛР; Шридхар, В.; Леттенмайер, ДП (1 января 2004 г.). «Гидрологические последствия динамических и статистических подходов к уменьшению масштаба результатов климатических моделей». Климатические изменения . 62 (1–3): 189–216. дои : 10.1023/B:CLIM.0000013685.99609.9e . ISSN 0165-0009 . S2CID 27377984 .

[9] «КАБ Директ» . www.cabdirect.org . Проверено 6 августа 2019 г.

[10] Гутовски-младший, Уильям Дж.; Джорджи, Филиппо; Тимбал, Бертран; Фригон, Энн; Джейкоб, Даниэла ; Кан, Хён Сок; Рагхаван, Кришнан; Ли, Борам; Леннард, Кристофер (17 ноября 2016 г.). «Координируемый WCRP региональный эксперимент по даунскейлингу (CORDEX): диагностический MIP для CMIP6» . Разработка геонаучной модели . 9 (11): 4087–4095. Бибкод : 2016GMD.....9.4087G . дои : 10.5194/gmd-9-4087-2016 . HDL : 11336/29500 . ISSN 1991-9603 .

[11] Тейлор, Карл Э.; Стоуффер, Рональд Дж.; Мил, Джеральд А. (7 октября 2011 г.). «Обзор CMIP5 и плана эксперимента» . Бюллетень Американского метеорологического общества . 93 (4): 485–498. дои : 10.1175/BAMS-D-11-00094.1 . ISSN 0003-0007 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]