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Wir stellen vor HiRO-ACEv2, das neueste Update unseres High Resolution Output Ai2 Climate Emulator (HiRO-ACE)-Systems. HiROv2 kann selbst extrem seltene Regen-, Wind- und Druckereignisse mit hoher Genauigkeit reproduzieren, während das Gesamtsystem globale 3-km-Klimadaten zu etwa 1/300 der Kosten von X-SHiELD erzeugen kann, einem hochauflösenden globalen Atmosphärenmodell, das Stürme und andere kleinskalige Wetterphänomene explizit simuliert.
HiRO-ACE, Anfang 2026 eingeführt, besteht aus zwei Teilen: ACE, ein KI-Modell, das mit einer gröberen Auflösung von 100 km arbeitet, und HiRO, ein Modell, das diese groben Ausgaben in feine 3-km-Details schärft. Die größte Änderung in HiRO-ACEv2 ist das neue Downscaling-Modell, HiROv2, das nun 1) mehrere hochauflösende Felder gleichzeitig vorhersagen kann statt nur Niederschlag, sodass es ein viel breiteres Spektrum extremer Wetterereignisse erfassen kann, und 2) verbessert darin ist, extreme Ereignisse vorherzusagen.
Unser Hauptaugenmerk bei HiRO-ACEv2 lag darauf, extreme Ereignisse gut zu simulieren. Änderungen am Training von HiROv2 verbesserten seine Fähigkeit, die intensivsten Regen-, Wind- und Druckwerte zu reproduzieren. Wenn ihm vergröberte X-SHiELD-Daten gegeben werden, stimmt es mit den hochauflösenden Statistiken der Zielsimulation auf innerhalb von 3% überein, selbst bei Ereignissen, die so selten sind, dass sie nur einmal in einer Million Datenpunkte auftreten. Es schätzt auch die Gesamtenergie tropischer Zyklone genau ab, einschließlich Stürmen, die es während des Trainings nie gesehen hat, und erzeugt Hurrikane mit realistischen Augen und Regenbändern, wobei Winde und Druck um das Auge herum noch etwas einseitiger ausfallen als in X-SHiELD. Darüber hinaus erzeugt HiROv2 realistisch starke Winde, die Berghänge hinabfließen.
Wir haben auch eine aktualisierte Version von ACE für dieses System trainiert. Über eine 10-jährige Simulation hinweg stimmen seine Hurrikane, durchschnittlichen Klimamuster und Gesamtverteilungen von Regen, Wind und Druck gut mit X-SHiELD überein. Das zeigt uns, dass ACEs grobe Simulationen eine solide Grundlage für die Erzeugung langfristiger hochauflösender Klimadaten sind.
Wenn man HiROv2 und ACE zusammenbringt, haben wir ein volles Jahr globaler 3-km-Daten erzeugt. Dessen Statistiken stimmen eng mit denen von X-SHiELD überein, obwohl HiRO auf einer Simulation arbeitete, die ACE eigenständig ausgeführt hat, und nicht auf echten X-SHiELD-Daten. Über einen 10-jährigen Lauf hinweg ist die Energie der Hurrikane von HiRO-ACEv2 mit der von X-SHiELD im selben Zeitraum vergleichbar, und Momentaufnahmen aus diesem Lauf zeigen eine Vielzahl anderer extremer Ereignisse, die denen in X-SHiELD ähneln.
Ein Beispiel für einen starken Hurrikan im Nordatlantik, erzeugt während der 10-jährigen HiRO-ACEv2-Simulation.
Insgesamt bietet HiRO-ACEv2 Forschenden eine flexible und kostengünstige Möglichkeit, viele Versionen hochauflösender Regen-, Wind- und Druckdaten für extreme Ereignisse über 10 Jahre oder mehr zu erzeugen. Die Erzeugung globaler hochauflösender Daten damit kostet rund 300 Mal weniger als der Betrieb von X-SHiELD. Wenn nur eine einzige Region benötigt wird, können die Einsparungen je nach Größe des Gebiets mehr als hundert Mal größer sein. Wir arbeiten außerdem an einer optimierten Version von HiROv2, die es noch mehr als zehn Mal schneller machen könnte.
Wir haben noch zukünftige Arbeit vor uns: Da HiRO von X-SHiELD gelernt hat, funktioniert es nur mit der Version von ACE, die darauf abgestimmt ist, X-SHiELD zu entsprechen. Das bedeutet, dass es bisher keine hochauflösenden Daten für andere Klimate erzeugen kann, etwa für eine wärmere Zukunft oder die historische Aufzeichnung in Datensätzen wie ERA5. Als Nächstes planen wir, auf neuen X-SHiELD-Datensätzen zu trainieren, darunter einem, das eine 4°C wärmere Welt simuliert, damit das System verschiedene Klimate verarbeiten kann. Wir planen außerdem, Ausgaben wie bodennahe Temperatur sowie Schnee und Eis hinzuzufügen, was noch weitere Anwendungen ermöglichen würde, etwa die Vorhersage von Schneehöhen.
Visualisierung und Nutzung von HiRO-Ausgaben
Simulierte Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe über Baja California im ACE-Datenvisualisierer: ACE2 mit 100 km Auflösung auf der Hauptkarte und HiRO-ACEv2 mit 3 km im Ausschnitt.
Ein simulierter Sturm über dem nordöstlichen Pazifik im ACE-Datenvisualisierer. Die Hauptkarte zeigt die Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe mit 100 km Auflösung; der 3-km-HiRO-ACEv2-Ausschnitt zeigt feinere Strukturen innerhalb des Sturms.
Um es einfach zu machen zu sehen, was HiRO erzeugt, ohne Inferenz auszuführen, haben wir eine Web-Demo gebaut, die vorab erzeugte Ausgaben für Niederschlag, Wind und Luftdruck auf Meereshöhe von HiROv1 und HiROv2 Seite an Seite mit X-SHiELD zeigt, der Simulation, auf der sie trainiert wurden. Die Demo ergänzt die quantitativen Vergleiche in unserem Tech-Bericht: Sie bietet eine schnelle visuelle Prüfung, wie die Ausgaben aussehen, und erlaubt Nutzenden, in ihre eigene Region von Interesse hineinzuzoomen, um die Leistung dort zu bewerten.
Für tiefergehende Analysen sind die Modelle verfügbar zum Herunterladen, und unsere Tutorial-Notebooks führen Schritt für Schritt durch deren Ausführung.