AGS-PRF: Physics-Constrained Machine Learning-Based Models for Climate Simulations with Data Assimilation and Uncertainty Quantification
AGS-PRF:基于物理约束的机器学习模型,用于具有数据同化和不确定性量化的气候模拟
基本信息
- 批准号:2218197
- 负责人:
- 金额:$ 19万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-01-01 至 2024-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Despite recent computational advancements, climate models still cannot explicitly resolve key physical processes like turbulence, convection, and clouds. These unresolved processes must be accounted for by parameterization schemes. The inability of these schemes to mimic reality has hindered the ability of model simulations to capture various observed phenomena, leading model biases and uncertainties. Recently, machine learning-based techniques have greatly improved these schemes. Nevertheless, the standard machine learning-based methods are built solely on idealized computational models without considering the wealth of observational data available. Thus, inherent inaccuracies of the parameterization schemes continue to undermine the performance of climate models. This project aims to improve machine-learning-based parameterization schemes and, thereby, enhance the performance of existing climate models. The proposer will incorporate observations and physical laws into machine learning techniques to make parameterization schemes more accurate and provide uncertainty estimates to capture the chaotic nature of the climate system. The proposed work will train a young postdoctoral scholar. Specifically, the proposal will utilize data from satellite observations and high-resolution simulations to improve machine learning schemes. Physics-constraints will be imposed either through the incorporation of a physical loss term or by considering specific machine learning tools such as Neural Networks with fixed output layer that strongly imposes the known physical constraint. Uncertainty quantification in machine learning schemes will be implemented using ensemble learning or Bayesian approaches such as Hamiltonian Monte Carlo sampling schemes. The knowledge gained in this project could have an impact across climate science, including the advancement of global climate models’ development and of machine learning application to Big Data in climate science, as well as the development of novel computational probabilistic methods for complex multi-scale and multi-physics real-world systems.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
尽管最近在计算方面取得了进展,但气候模型仍然不能明确地解决湍流、对流和云等关键物理过程。这些未解决的过程必须考虑到参数化方案。这些方案无法模拟现实,阻碍了模型模拟捕捉各种观察到的现象的能力,导致模型偏差和不确定性。最近,基于机器学习的技术极大地改进了这些方案。然而,标准的基于机器学习的方法仅仅建立在理想化的计算模型上,而没有考虑可用的丰富的观测数据。因此,参数化方案固有的不准确性继续损害气候模型的性能。该项目旨在改进基于机器学习的参数化方案,从而提高现有气候模型的性能。该提议将把观测和物理定律融入到机器学习技术中,以使参数化方案更准确,并提供不确定性估计,以捕捉气候系统的混乱本质。拟议的工作将培养一名年轻的博士后学者。具体地说,该提案将利用来自卫星观测和高分辨率模拟的数据来改进机器学习方案。物理约束将通过结合物理损失项或通过考虑特定的机器学习工具来施加,例如具有强烈施加已知物理约束的固定输出层的神经网络。机器学习方案中的不确定性量化将使用集成学习或贝叶斯方法来实现,例如哈密尔顿蒙特卡罗抽样方案。从这个项目中获得的知识可能会对气候科学产生影响,包括推动全球气候模型的开发和机器学习在气候科学大数据中的应用,以及为复杂的多尺度和多物理真实世界系统开发新的计算概率方法。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。
项目成果
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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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