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Deep Learning for the Parametrization of Subgrid Processes in Climate Models

Gentine, Pierre und Eyring, Veronika und Beucler, Tom (2021) Deep Learning for the Parametrization of Subgrid Processes in Climate Models. In: Deep Learning for the Earth Sciences: A Comprehensive Approach to Remote Sensing, Climate Science, and Geosciences John Wiley & Sons. doi: 10.1002/9781119646181.ch21.

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Offizielle URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119646181.ch21

Kurzfassung

Earth system and climate models are fundamental to understanding and projecting climate change. Although they have improved significantly over the last decades, considerable biases and uncertainties in their projections still remain. A large contribution to this uncertainty stems from differences in the representation of clouds and convection (i.e., deep clouds) occurring at scales smaller than the resolved model grid resolution that is typically in the order of 100 km in the horizontal. These long-standing deficiencies in cloud parametrizations have motivated developments of high-resolution cloud- and turbulence-resolving models that can explicitly resolve clouds and convection, yet are computationally extremely expensive and can therefore only be run for a short time and/or only over a small region. However, together with the recent developments in machine learning, and especially deep learning, these simulations can be used and harvested to develop new ML-based parametrizations for clouds and convection that have the potential to eliminate some of the long-standing systematic errors in climate models. Recent research demonstrated that deep convection explicitly simulated by a cloud-resolving climate model could be correctly emulated by a deep neural network that then replaced the original parametrization in the climate model. In this chapter we describe the principal approaches for ML-based cloud parametrizations with deep neural networks and advocate that these ML algorithms need to be guided both by data and by physical knowledge. Many challenges in this new interdisciplinary field of research remain that are also discussed.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/145380/
Dokumentart:Beitrag in einem Lehr- oder Fachbuch
Titel:Deep Learning for the Parametrization of Subgrid Processes in Climate Models
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Gentine, PierreDepartment of Earth and Environmental Engineering, Columbia University, New York, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Beucler, TomNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:August 2021
Erschienen in:Deep Learning for the Earth Sciences: A Comprehensive Approach to Remote Sensing, Climate Science, and Geosciences
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1002/9781119646181.ch21
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Camps-Valls, GustauNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tuia, DevisEPFLNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zhu, X.X.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reichstein, MarkusMax-Planck-Institute for Biogeochemistry, Jena, Germanyhttps://orcid.org/0000-0001-5736-1112NICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:John Wiley & Sons
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Earth system, climate models, deep clouds, ML-based, parametrizations, neural network,
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Atmosphären- und Klimaforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Langer, Michaela
Hinterlegt am:23 Nov 2021 14:12
Letzte Änderung:24 Nov 2021 11:04

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