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Global spatio-temporal ERA5 precipitation downscaling to km and sub-hourly scale using generative AI

Glawion, Luca 1; Polz, Julius ORCID iD icon 1,2,3; Kunstmann, Harald 1; Fersch, Benjamin ORCID iD icon 1; Chwala, Christian ORCID iD icon 1
1 Zukunftscampus (CAMPUS), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMKASF), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung (IMKIFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

The spatial and temporal distribution of precipitation significantly impacts human lives. While reanalysis datasets provide consistent long-term global precipitation information that allows investigations of rainfall-driven hazards like larger-scale flooding, they lack the resolution to capture the high spatio-temporal variability of precipitation and miss intense local rainfall events. Here, we introduce spateGAN-ERA5, the first deep learning-based spatio-temporal downscaling of precipitation data on a global scale. SpateGAN-ERA5 enhances ERA5 precipitation data from 24 km and 1 h to 2 km and 10 min, delivering high-resolution rainfall fields with realistic spatio-temporal patterns and accurate rain rate distribution, including extremes. Its computational efficiency enables the generation of a large ensemble of solutions, addressing uncertainties inherent to downscaling challenges and supports practical applicability for generating high-resolution precipitation data for arbitrary ERA5 time periods and regions on demand. Trained solely on data from Germany and validated in the US and Australia, considering diverse climates, including tropical rainfall regimes, spateGAN-ERA5 demonstrates strong generalization, indicating robust global applicability. ... mehr


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000183370
Veröffentlicht am 23.07.2025
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1038/s41612-025-01103-y
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Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (IMKASF)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung (IMKIFU)
Zukunftscampus (CAMPUS)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2025
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 2397-3722
KITopen-ID: 1000183370
Erschienen in npj Climate and Atmospheric Science
Verlag Nature Research
Band 8
Heft 1
Seiten 219
Vorab online veröffentlicht am 15.06.2025
Nachgewiesen in OpenAlex
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