Land surface model parameter optimisation using in situ flux data: comparison of gradient-based versus random search algorithms (a case study using ORCHIDEE v1.9.5.2)
Notice bibliographique
Résumé
Abstract. Land surface models (LSMs), which form the land component of earth system models, rely on numerous processes for describing carbon, water and energy budgets, often associated with highly uncertain parameters. Data assimilation (DA) is a useful approach for optimising the most critical parameters in order to improve model accuracy and refine future climate predictions. In this study, we compare two different DA methods for optimising the parameters of seven plant functional types (PFTs) of the ORCHIDEE LSM using daily averaged eddy-covariance observations of net ecosystem exchange and latent heat flux at 78 sites across the globe. We perform a technical investigation of two classes of minimisation methods – local gradient-based (the L-BFGS-B algorithm, limited memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno algorithm with bound constraints) and global random search (the genetic algorithm) – by evaluating their relative performance in terms of the model–data fit and the difference in retrieved parameter values. We examine the performance of each method for two cases: when optimising parameters at each site independently (“single-site” approach) and when simultaneously optimising the model at all sites for a given PFT using a common set of parameters (“multi-site” approach). We find that for the single site case the random search algorithm results in lower values of the cost function (i.e. lower model–data root mean square differences) than the gradient-based method; the difference between the two methods is smaller for the multi-site optimisation due to a smoothing of the cost function shape with a greater number of observations. The spread of the cost function, when performing the same tests with 16 random first-guess parameters, is much larger with the gradient-based method, due to the higher likelihood of being trapped in local minima. When using pseudo-observation tests, the genetic algorithm results in a closer approximation of the true posterior parameter value in the L-BFGS-B algorithm. We demonstrate the advantages and challenges of different DA techniques and provide some advice on using it for the LSM parameter optimisation.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,007 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».