advances)in)climate)informa3cs)climatechange.cs.umn.edu/docs/ws15_monteleoni.pdf · 2015-08-14 ·...
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Advances)in)Climate)Informa3cs))
)Claire)Monteleoni)George)Washington)University)
Vision))))))))))))
)Data)science)can)shed)light)on)climate)change.)
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This)is)the)vision)behind)climate)informa3cs.)))
2011 ))))))))))First)Interna3onal)Workshop)on)Climate)Informa3cs))) ) ) ) )New)York)Academy)of)Sciences))))))))))))))))))))Climate)Informa3cs)Wiki)launched)2013))))))))))“Climate)Informa3cs”)book)chapter)[M)et)al.)2013]))
) ))))))In)the)first)4)years:)par3cipants)from)over)16)countries,)28)states)))
2015 ))))))))))Please)join)us)as)Climate)Informa3cs)turns)5!))))))))))))) ))))) ) )September)24Z26th)at)NCAR)in)Boulder)CO.))) ) ))))) ) )NEW:)Climate)Informa3cs)Hackathon!)
)))))))))
Climate)Informa3cs)
3)
Climate)Informa3cs:)problems)&)progress)[Banerjee)&)M,)NIPS)2014)Tutorial])
)
1. Past:)PaleoZclimate)reconstruc3on))! )What)was)the)climate)before)we)had)thermometers?)
2. )Local:)Climate)downscaling)) )What)climate)can)I)expect)in)my)own)backyard?)
3. )Spa3otemporal:)Space)and)3me))!!!!!!!!!How)to)capture)dependencies)over)space)and)3me?)
4.) )Future:)Climate)model)ensembles))! !How)to)reduce)uncertainty)on)future)predic3ons?)
5.) )Tails/impacts:)Extreme)events))) )What)are)extreme)events)and)how)will)climate)change)affect)them?))
) 4)
Climate)Model)Ensembles)
5)
Climate)model:)a)complex))system)of)interac3ng))mathema3cal)models)! Not)dataZdriven)! Based)on)scien3fic)))))))first)principles)
• Meteorology)• Oceanography)• Geophysics)• …)
• Discre3za3on)into)))))))grid)boxes)• Scale)resolu3on))))))))differences)
)
Climate)models)(GCMs))
credit:)UCAR/NCAR,)NOAA))6)
Scale)resolu3on)problem)
7)) ) )credit:)Anthes)et)al.)1975,)presented)by)J.)J.)Hack/A.)Gemelman)
Intergovernmental)Panel)on)Climate)Change)• IPCC:)Intergovernmental)Panel)on)Climate)Change)
– Nobel)Peace)Prize)2007)(shared)with)Al)Gore).)– Interdisciplinary)scien3fic)body,)formed)by)UN)in)1988.)– Fourth)Assessment)Report,)2007,)on)global)climate)change)
450)lead)authors)from)130)countries,)800)contribu3ng)authors,))))))))over)2,500)reviewers.)
– Finh)Assessment)Report,)September)2013.)Over)830)authors.)
• Climate)models)contribu3ng)to)IPCC)reports)include:))))))))Bjerknes)Center)for)Climate)Research)(Norway),)Canadian)Centre)for)Climate)Modelling)
and)Analysis,)Centre)Na3onal)de)Recherches)Météorologiques)(France),)Commonwealth)Scien3fic)and)Industrial)Research)Organisa3on)(Australia),)Geophysical)Fluid)Dynamics)Laboratory)(Princeton)University),)Goddard)Ins3tute)for)Space)Studies)(NASA),)Hadley)Centre)for)Climate)Change)(United)Kingdom)Meteorology)Office),)Ins3tute)of)Atmospheric)Physics)(Chinese)Academy)of)Sciences),)Ins3tute)of)Numerical)Mathema3cs)Climate)Model)(Russian)Academy)of)Sciences),)Is3tuto)Nazionale)di)Geofisica)e)Vulcanologia)(Italy),)Max)Planck)Ins3tute)(Germany),)Meteorological)Ins3tute)at)the)University)of)Bonn)(Germany),)Meteorological)Research)Ins3tute)(Japan),)Model)for)Interdisciplinary)Research)on)Climate)(Japan),)Na3onal)Center)for)Atmospheric)Research)(Colorado),)among)others.)
8)
IPCC)findings:)human)influence)on)climate)
IPCC)2013)
Black:)true)observa3ons.))Orange/red:)Climate)model)simula3ons)with)humanZinduced)greenhouse)gasses.)Blue:)Climate)model)simula3ons)without)humanZinduced)greenhouse)gasses.)
Glob
al)Tem
perature)Ano
maly)(°C))
9)
Modeling)future)scenarios)
credit:)IPCC)2013)
Black:)True)observa3ons)(un3l)2006).)Orange/red:)Constant)emissions.)Grey:)Constant)atmospheric)composi3on)(constant)forcing).))Blue:)Zero)emissions)star3ng)2010)(impossible).) 10)
20 40 60 80 100 120 140 160 180
−0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Time in years (1900−2098)
Glo
bal m
ean
tem
pera
ture
ano
mal
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Thick blue: observedThick red: average over 20 climate model predictionsBlack (vertical) line: separates past from futureOther: climate model predictions
Future)fanZout.)1920 1940 1960 1980 20201900 2000 2040 2060 2080
− Observed− Multi-model average predictionThin lines: climate model predictionsVertical line separates past and future
Future fan-out. 11)
Improving)predic3ons)of)the)IPCC)ensemble)
• Coupled)Model)Intercomparison)Project)(CMIP)))))))))) )[Meehl)et)al.,)Bull.)AMS,)‘00])• No)one)model)predicts)best)all)the)3me,)for)all)variables.)• Average)predic3on)over)all)models)is)bemer)predictor)than)any)
single)model.))[Reichler)&)Kim,)Bull.)AMS)‘08],)[Reifen)&)Toumi,)GRL)’09])• Bayesian)approaches)in)climate)science)e.g.)[Smith)et)al.)JASA)’08])• IPCC)held)2010)Expert)Mee3ng)on)how)to)bemer)combine)model)
predic3ons.)
Can)we)do)bemer,)using)Machine)Learning?))))Challenge:)How)should)we)predict)future)climates?))
– While)taking)into)account)the)mul3Zmodel)ensemble)predic3ons)12)
Ensembles)used)in)climate)science)• Ensembles)of)opportunity))
– Different)models)from)different)modeling)groups,)e.g.)the)IPCC)ensemble))
• Ini3al)condi3on)ensembles)– Perturb)ini3al)condi3ons)of)a)single)model))– Significant)changes)possible)(cf.)Bumerfly)Effect))– “Pure)ensemble”)–)perturb)only)last)few)significant)digits)of)an)ini3al)
condi3on.)Changes)the)weather)but)should)not)change)the)climate.)Used)to)robus3fy)es3mates)of)climate.)
• Perturbed)physics)ensembles)(PPE)))– Change)parameter)values)of)a)single)model)– Can)create)dras3c)changes)in)predic3ons)
))NOTE:)weather)forecas3ng)also)makes)use)of)ensembles)(e.g.)Bayesian)model)averaging).)
13)
Contribu3ons)• Tracking)Climate)Models)(TCM))[M,)Schmidt,)Saroha,)&)Asplund,)
SAM)2011;)NASA)CIDU)2010]:))Online)learning)with)expert)advice.)
• NeighborhoodZAugmented)TCM)(NTCM))[McQuade)&)M,)AAAI)2012]:)Extend)TCM)to)model)geospa3al)neighborhood)influence.)
• MRFZbased)approach)[McQuade)&)M,)submimed].))• Climate)Predic3on)via)Matrix)Comple3on)[Ghafarianzadeh)&)M,)
LateZBreaking)Paper,)AAAI)2013]:)use))sparse)matrix)comple3on.))
14)
Average)predic3on)
Model)A) Model)B) Model)C) Model)D) Model)E)
15)
Model)A) Model)B) Model)C) Model)D) Model)E)
Adap3ve,)weighted)average)predic3on)
16)
Model)A) Model)B) Model)C) Model)D) Model)E)
Adap3ve,)weighted)average)predic3on)
17)
Model)A) Model)B) Model)C) Model)D) Model)E)
Adap3ve,)weighted)average)predic3on)
18)
Model)A) Model)B) Model)C) Model)D) Model)E)
Adap3ve,)weighted)average)predic3on)
19)
)
))Tradeoff:)Quickly)finding)current)best)predic3ng)model)vs.)being)ready)to)quickly)switch)to)other)models.))
)))Tradeoff)hinges)on)how)onen)the)iden3ty)of)the)best)model)switches.)
Tradeoff:)explore)vs.)exploit)
20)
Online)learning:)nonZsta3onary)data)
LearnZα)Algorithm)[M)&)Jaakkola,)NIPS)2003]:))• Learns)the)switching)rate:)level)of)nonZsta3onarity:)α.)• Tracks)a)set)of)metaZexperts,)online)learning)algorithms,)each)with)a)
different)value)of)the)α)parameter.)
pt+1(�) � pt(�)e�L(�,t)
21)
Online)learning:)nonZsta3onary)data)
pt+1(i) ��
j
pt(j)e�L(j,t)p(i|j)
• [M)&)Jaakkola,)2003]:)In)a)family)of)online)learning)algorithms,)weight)updates,)pt(i),)equivalent)to)Bayesian)updates)of)a)generalized)Hidden)Markov)Model.)– Hidden)variable:)iden3ty)of)“best)expert.”)– Transi3on)dynamics,)p(i!|!j),!model)nonZsta3onarity.)
• [Herbster)&)Warmuth,)1998]:)FixedZShare)algorithm)models)switching)w.p.)α.)
P (i|j;↵) =((1� ↵) i = j↵
n�1 i 6= j22)
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E-12/!1;@F1.1;C<2+>F,
− Multi-model average (Benchmark)− Best climate model− Learn-α algorithmVertical line separates past and future
1920 1940 1960 1980 20201900 2000 2040 2060 2080
Pred
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n er
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Learning)curves))
[M,)Schmidt,)Saroha,)&)Asplund,)SAM)2011;)NASA)CIDU)2010])
)23)
Incorpora3ng)neighborhood)influence)[McQuade)&)M,)AAAI)2012])
• Climate)predic3ons)are)made)at)higher)geospa3al)resolu3ons.)• Run)instances)of)LearnZα)(variant))on)mul3ple)subZregions)that)
par33on)the)globe.)• Model)neighborhood)influences)among)geospa3al)regions.)
)
24)
Incorpora3ng)neighborhood)influence)
NeighborhoodZaugmented)LearnZα.))NonZhomogenous)HMM)transi3on)dynamics:)
• S(r)!Z)neighborhood)scheme:)set)of)“neighbors”)of)region)r)• Pt,s(i))Z!probability)of)expert)(climate)model))i)in)region)s!• β)Z)regulates)geospa3al)influence!• Z)Z)normaliza3on)factor))
25)
MRFZbased)approach)
Time t
Time t
Time t-1
Geospa3al)la{ce)
[McQuade)&)M,)submimed])
26)
MRFZbased)approach)
27)
28)
MRFZbased)approach)
Climate)Predic3on)via)Matrix)Comple3on)[Ghafarianzadeh)&)M,)LateZBreaking)Paper,)AAAI)2013])
• Goal:)combine/improve)the)predic3ons)of)the)mul3Zmodel)ensemble)of)GCMs,)using)sparse)matrix)comple3on.)
• Like)TCM)approaches:)exploits)past)observa3ons,)and)the)predic3ons)of)the)mul3Zmodel)ensemble)of)GCMs.)
• Unlike)TCM)approaches:)the)learning)approach)is)batch,)unsupervised.))• Matrix)comple3on)has)been)widely)used)in)sparse)problems,)e.g.)
)predic3ng)user)movie)ra3ngs)(cf.)Ne|lix).)• We)apply)[Keshavan,)Montanari)&)Oh,)JMLR)’10])OptSpace)algorithm:)
)minimiza3on)of)nuclear)norm;)uses)spectral)techniques)and)manifold))op3miza3on.)
• Proof)of)concept)for)using)matrix)comple3on)for)climate)predic3on.)
Climate)Predic3on)via)Matrix)Comple3on)• Create)a)sparse)(incomplete))matrix)from)climate)model)
)predic3ons)and)observed)temperature)data.)• Apply)a)matrix)comple3on)algorithm)to)recover)it.))• Yields)predic3ons)of)unobserved)temperatures.)
Observed)Temperature)
Year)
Climate)Model)Predictons:)
Subset)A)
Climate)Model)Predictons:)
Subset)B)
Valida3on)period:)2005Z2012)
Green:)observa3on,)Red:)mean)predic3on)of)climate)models,)Black:)matrix)comple3on)
31)
Valida3on)period:)2000Z2012)
Green:)observa3on,)Red:)mean)predic3on)of)climate)models,)Black:)matrix)comple3on)
32)
Valida3on)period:)1990Z2012)
Green:)observa3on,)Red:)mean)predic3on)of)climate)models,)Black:)matrix)comple3on)
33)
Valida3on)period:)1980Z2012)
Green:)observa3on,)Red:)mean)predic3on)of)climate)models,)Black:)matrix)comple3on)
34)
Valida3on)period:)1970Z2012)
Green:)observa3on,)Red:)mean)predic3on)of)climate)models,)Black:)matrix)comple3on)
35)
Outlook)• These)results)suggest)some)low)intrinsic)dimensionality.))• We)induced)some)sparsity)in)the)input)matrix)
– Need)not)ensure)low)intrinsic)dimensionality))• [Jia,)DelSole)&)Tippem,)J.)Climate)‘13])also)suggest)low)intrinsic)
dimensionality:)– Only)a)small)number)(~2))climatological)“predic3ve)components”)[DelSole)&)
Tippem,)Rev.)Geophys.)‘07])determine)the)predic3ve)“skill”)of)climate)models)(measured)w.r.t.)observa3ons).)
• General)warming)trend,)and)El)NiñoZSouthern)Oscilla3on)
• GCM)ensemble)(or)subsets))as)lower)dimensional)subspace)– Can)serve)as)a)proxy)for)the)high)dimensional,)complicated)(dependencies,)
redundancies))space)of)climatological)components)in)each)GCM.))
• Suggests)future)work)on)tracking)a)small)subset)of)the)ensemble.)– Subset)can)change)over)3me)and)space) 36)
Ongoing/future)work ))• Tracking)a)small)subset)of)the)ensemble,)varying)over)3me)and)
space)
• Mul3Ztask)approach)to)combining)mul3ple)predic3on)leadZ3mes)
• Applica3ons)to)seasonal)and)subZseasonal)predic3on)
37)
Climate)Extremes)
38)
)① Threshold)in)single)variable))[IPCC)special)report)2012,)p.4]))② Mul3ple)degrees)of)severity)
③ Related)to)mul3ple)variables)(complex)extreme)events))
④ Accumula3on)of)nonZextremes)[IPCC)2012,)p.6])
⑤ Subject)to)local)climate)characteris3cs)[IPCC)2012,)p.7])
) 39)
How)to)define)extremes?)
Topic)modeling)approach)
Geophysical)Models) Sta3s3cal)Models)
)Extreme)values)
)
Extreme)and)NonZextreme)values)
[Tang)&)M,)Climate)Informa3cs)2014])
Single)variable) Mul3ple)variables)
Model)
Data)type)
Variables)
40)Events)Mul3ple)event)types)Single)event)type)
Document))(bag)of)words))
Topics)
Words)
Air)temperature)high)
Wind)normal)Precipitable)water)extremely)high)
Humidity)extremely)low)
Humidity)extremely)high)
Soil)moisture)content)extremely)low)
Heat)wave)
High)precip.)
…)
Year)1971)
GeoZloca3ons)
Climate(topics(
Climate)Descriptors)
)credit:)D.)Blei)
Climate)topic)modeling)
41)
Climate)topic)modeling)using)LDA)
• L:)number)of)spa3al)regions!• N:!number)of)observa3ons)in)region)• tn:)climate)topic)• In:)climate)descriptor:)discre3zed)observed)climate)variable)• Dirichlet)prior)on)θ) 42)
N
43)
Qualita3ve)evalua3on:)Sahel)drought))
Ongoing/future)work)on)extreme)events)
• What)are)the)effects)of)climate)change)on)extreme)events,)especially)regional?)
• How)will)distribu3ons)of)relevant)variables)change)with)climate)change?)
• Detec3ng/predic3ng)climate)extremes,)anomaly)detec3on)
• RealZ3me)learning)from)data)streams,)tracking)extreme)events))
44)
Frank Alexander, Los Alamos National LaboratoryEva Asplund, Barnard College, Columbia UniversityArindam Banerjee, University of MinnesotaM. Benno Blumenthal, International Research Institute for Climate and Society, Columbia U. Tim DelSole, George Mason University & Center for Ocean-Land-Atmosphere StudiesAuroop R. Ganguly, Civil and Environmental Engineering, Northeastern UniversityMahsa Ghafarianzadeh, George Washington UniversityScott McQuade, George Washington UniversityAlex Niculescu-Mizil, NEC Laboratories AmericaShailesh Saroha, Amazon.comGavin A. Schmidt, NASA GISS & Columbia University
Jason E. Smerdon, Lamont-Doherty Earth Observatory, Columbia UniversityKarsten Steinhaeuser, University of MinnesotaCheng Tang, George Washington UniversityMarco Tedesco, NSF & CUNY City College and Graduate Center Michael Tippett, The International Research Institute for Climate and Society, Columbia U.
Thank you! And thanks to my collaborators:
Resources)• 5th)Interna3onal)Workshop)on)Climate)Informa3cs,)2015))))))www2.cisl.ucar.edu/events/ci2015)• Climate)Informa3cs:)www.climateinformatics.org
– Links)to)resources,)Climate)Informa3cs)workshops,)online)community)
• Climate)Informa3cs)Wiki)(with)data)sets))sites.google.com/site/1stclimateinformatics
)• IPCC)AR5)Report:)www.ipcc.ch/report/ar5/
• WCRP)Grand)Challenges:)www.wcrp-climate.org/grand-challenges
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• IPCC,)2013:!Climate!Change!2013:!The!Physical!Science!Basis.!ContribuKon!of!Working!Group!I!to!the!FiPh!Assessment!Report!of!the!Intergovernmental!Panel!on!Climate!Change)[Stocker,)T.F.,)D.)Qin,)G.ZK.)Plamner,)M.)Tignor,)S.K.)Allen,)J.)Boschung,)A.)Nauels,)Y.)Xia,)V.)Bex)and)P.M.)Midgley)(eds.)].)Cambridge)University)Press,)Cambridge,)United)Kingdom)and)New)York,)NY,)USA,)1535)pp.)
• C.)Monteleoni,)G.A.)Schmidt,)F.)Alexander,)A.)NiculescuZMizil,)K.)Steinhaeuser,)M.)Tippem,)A.)Banerjee,)M.B.)Blumenthal,)A.R.)Ganguly,)J.E.)Smerdon,)and)M.)Tedesco,)“Climate)Informa3cs,”)in)Computa3onal)Intelligent)Data)Analysis)for)Sustainable)Development;)Data)Mining)and)Knowledge)Discovery)Series.)Yu,)T.,)Chawla,)N.,)and)Simoff,)S.)(Eds.),)CRC)Press,)Taylor)&)Francis)Group.)Chapter)4,)pp.)81–126,)2013.))
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