Detecting Synoptic Patterns related to Freezing Rain in Montréal using Deep Learning
Notice bibliographique
Résumé
Climate change is altering the Earth’s atmospheric circulation and the dynamic drivers of extreme events. Extreme weather events pose a great potential risk to infrastructure and human security. In Southern Québec, freezing rain is among the rare, yet high-impact events that remain particularly difficult to detect, describe or even predict. Large climate model ensembles are instrumental for a profound analysis of extreme events, as they can be used to provide a sufficient number of model years. Due to the physical nature and the high spatiotemporal resolution of regional climate models (RCMs), large ensembles can not only be employed to investigate the intensity and frequency of extreme events, but they also allow to analyze the synoptic drivers of freezing rain events and to explore the respective dynamic alterations under climate change conditions. However, several challenges remain for the analysis of large RCM ensembles, mainly the high computational costs and the resulting data volume, which requires novel statistical methods for efficient screening and analysis, such as deep neural networks (DNN). Further, to date, only the Canadian Regional Climate Model version 5 (CRCM5) is simulating freezing rain in-line using a diagnostic method. For the analysis of freezing rain in other RCMs, computational intensive, off-line diagnostic schemes have to be applied to archived data. Another approach for freezing rain analysis focuses on the relation between synoptic drivers at 500 hPa resp. sea level pressure and the occurrence of freezing rain in the study area of Montréal. Here, we explore the capability of training a deep neural network on the detection of the synoptic patterns associated with the occurrence of freezing rain in Montréal. This climate pattern detection task is a visual image classification problem that is addressed with supervised machine learning. Labels for the training set are derived from CRCM5 in-line simulations of freezing rain. This study aims to provide a trained network, which can be applied to large multi-model ensembles over the North American domain of the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) in order to efficiently filter the climate datasets for the current and future large-scale drivers of freezing rain. We present the setup of the deep learning approach including the network architecture, the training set statistics and the optimization and regularization methods. Additionally, we present the classification results of the deep neural network in the form of a single-number evaluation metric as well as confusion matrices. Furthermore, we show analysis of our training set regarding false positives and false negatives.
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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 | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 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 ».