Machine Learning Methods to Infer Precipitation Phase from Temperature and Moisture Profiles
Notice bibliographique
Résumé
The phase of falling precipitation can have a large societal impact for both hydrology (snow storage, rain-on-snow events), meteorology (snowstorms, freezing rain) and climate (snow albedo feedback). In Canada, many surface weather stations report precipitation information in the form of total precipitation (liquid-equivalent), but very few weather stations directly report snow. Thus, precipitation phase must be inferred from ancillary data such as temperature and moisture. Each scientific community has developed its own tool for the determination phase in the absence of direct observations: from simple rules based on air temperature, dew point temperature or wet bulb temperature to sophisticated microphysics schemes passing by methods based on the discrimination of features extracted from vertical temperature profiles. With the recent advances of machine learning, there is an opportunity to investigate another set of methods based on deep neural networks. Using ERA5 and ERA5-Land model re-analyses as the reference, we trained several recurrent neural networks (RNN) on vertical profiles of temperature and moisture to infer the snow fraction – the ratio of solid precipitation to total precipitation. Since precipitation phase (solid, liquid or mixed) was not directly available in the model re-analysis, we defined it using two thresholds: snow fraction of less than 5% for liquid, snow fraction of more than 95% for solid phase, and mixed phase for everything in between. The best performing neural network for regressing snow fraction is found to be a Gated Recurrent Unit (GRU) RNN using profiles up to 500 hPa above the surface of both temperature and relative humidity. A slight decrease in performance is observed if profiles up to 700 hPa are used instead. A feature experiment also reveals that the performance is significantly better when using both temperature and moisture profiles, but it does not really matter what type of moisture observations are used (either dew point spread, wet bulb temperature or relative humidity). For classifying precipitation phase, the balanced accuracy is over 90%, clearly outperforming the implementation of Bourgouin’s method used operationally in part of Canada. Compared with the K-Nearest Neighborhood (KNN) method trained on surface observations only, it is seen that the greatest gain in performance for GRU-RNN is when the surface temperature is close to zero degrees Celsius. These preliminary results indicate the great potential of the proposed algorithm for determining snow fraction and precipitation phase in the absence of direct observations. The proposed algorithm could potentially be used for inferring snow fraction and precipitation phase in several applications such as (1) precipitation analysis for forcing hydrological models, (2) weather nowcasting, (3) weather forecast post-processing and (4) climate change impact studies.
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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 | 0,001 | 0,003 |
| 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 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
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 ».