Artificial intelligence reconstructs missing climate information

修补 气候学 缺少数据 系列(地层学) 克里金 气候变化 耦合模型比对项目 插值(计算机图形学) 气候模式 计算机科学 气象学 地质学 地理 环境科学 人工智能 图像(数学) 机器学习 古生物学 海洋学
作者
Christopher Kadow,David Hall,Uwe Ulbrich
出处
期刊:Nature Geoscience [Springer Nature]
卷期号:13 (6): 408-413 被引量:155
标识
DOI:10.1038/s41561-020-0582-5
摘要

Historical temperature measurements are the basis of global climate datasets like HadCRUT4. This dataset contains many missing values, particularly for periods before the mid-twentieth century, although recent years are also incomplete. Here we demonstrate that artificial intelligence can skilfully fill these observational gaps when combined with numerical climate model data. We show that recently developed image inpainting techniques perform accurate monthly reconstructions via transfer learning using either 20CR (Twentieth-Century Reanalysis) or the CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) experiments. The resulting global annual mean temperature time series exhibit high Pearson correlation coefficients (≥0.9941) and low root mean squared errors (≤0.0547 °C) as compared with the original data. These techniques also provide advantages relative to state-of-the-art kriging interpolation and principal component analysis-based infilling. When applied to HadCRUT4, our method restores a missing spatial pattern of the documented El Nino from July 1877. With respect to the global mean temperature time series, a HadCRUT4 reconstruction by our method points to a cooler nineteenth century, a less apparent hiatus in the twenty-first century, an even warmer 2016 being the warmest year on record and a stronger global trend between 1850 and 2018 relative to previous estimates. We propose image inpainting as an approach to reconstruct missing climate information and thereby reduce uncertainties and biases in climate records. An artificial intelligence-based method may infill gaps in historical temperature data more effectively than conventional techniques. Application of this method reveals a stronger global warming trend between 1850 and 2018 than estimated previously.
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