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Enregistrement W3160299330 · doi:10.5194/egusphere-egu21-16390

Machine Learning Methods to Infer Precipitation Phase from Temperature and Moisture Profiles

2021· article· en· W3160299330 sur OpenAlexaffabout
Dominique Brunet, John Rafael Ranieses Quinto

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typearticle
Langueen
DomaineEarth and Planetary Sciences
ThématiqueCryospheric studies and observations
Établissements canadiensEnvironment and Climate Change Canada
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésSnowPrecipitationEnvironmental scienceMoistureDew pointFraction (chemistry)Wet-bulb temperatureMeteorologyWinter stormDewAlbedo (alchemy)Rain and snow mixedPhase (matter)Atmospheric sciencesHumidityChemistryGeologyGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

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.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,003
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,016

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,003
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,000
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,001

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.

Tête enseignante Opus0,023
Tête enseignante GPT0,298
Écart entre enseignants0,275 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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 découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2021
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