Scaling transformer neural networks for skillful and reliable medium-range weather forecasting

计算机科学 可预测性 变压器 人工神经网络 缩放比例 推论 天气预报 集合预报 机器学习 人工智能 气象学 工程类 物理 几何学 数学 电压 电气工程 量子力学
作者
Tung Thanh Nguyen,Rohan Shah,Hritik Bansal,Troy Arcomano,Sandeep Madireddy,Romit Maulik,V. R. Kotamarthi,Ian Foster,Aditya Grover
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2312.03876
摘要

Weather forecasting is a fundamental problem for anticipating and mitigating the impacts of climate change. Recently, data-driven approaches for weather forecasting based on deep learning have shown great promise, achieving accuracies that are competitive with operational systems. However, those methods often employ complex, customized architectures without sufficient ablation analysis, making it difficult to understand what truly contributes to their success. Here we introduce Stormer, a simple transformer model that achieves state-of-the-art performance on weather forecasting with minimal changes to the standard transformer backbone. We identify the key components of Stormer through careful empirical analyses, including weather-specific embedding, randomized dynamics forecast, and pressure-weighted loss. At the core of Stormer is a randomized forecasting objective that trains the model to forecast the weather dynamics over varying time intervals. During inference, this allows us to produce multiple forecasts for a target lead time and combine them to obtain better forecast accuracy. On WeatherBench 2, Stormer performs competitively at short to medium-range forecasts and outperforms current methods beyond 7 days, while requiring orders-of-magnitude less training data and compute. Additionally, we demonstrate Stormer's favorable scaling properties, showing consistent improvements in forecast accuracy with increases in model size and training tokens. Code and checkpoints will be made publicly available.
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