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Enregistrement W3167787884 · doi:10.5194/egusphere-egu21-13244

Learning from one’s errors: A data-driven approach for mimicking an ensemble of hydrological model residuals

2021· article· en· W3167787884 sur OpenAlexaff
John Quilty, Anna E. Sikorska‐Senoner

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrology and Watershed Management Studies
Établissements canadiensUniversity of Waterloo
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésStreamflowEnsemble forecastingComputer scienceGaussianCalibrationNonlinear systemApplied mathematicsMathematicsStatisticsArtificial intelligenceChemistryPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Despite significant efforts to improve the calibration of hydrological models, when applied to real-world case studies, model errors (residuals) remain. These residuals impair flow estimates and can lead to unreliable design, management, and operation of water resources systems. Since these residuals are auto-correlated, they should be treated with appropriate methods that do not require limiting assumptions (e.g., that the residuals follow a Gaussian distribution). This study introduces a novel data-driven framework to account for residuals of hydrological models. Our framework relies on a conceptual-data-driven approach (CDDA) that integrates two models, i.e., a hydrological model (HM) with a data-driven (i.e., machine learning) model (DDM), to simulate an ensemble of residuals from the HM. In the first part of the CDDA, a HM is used to generate an ensemble of streamflow simulations for different parameter sets. Afterwards, residuals associated with each simulation are computed and a DDM developed to predict the residuals. Finally, the original streamflow simulations are coupled with the DDM predictions to produce the CDDA output, an improved ensemble of streamflow simulations. The proposed CDDA is a useful approach since it respects hydrological processes via the HM and it profits from the DDM’s ability to simulate the complex (nonlinear) relationship between residuals and input variables. To explore the utility of CDDA, we focus principally on identifying the best DDM and input variables to mimic HM residuals. For this purpose, we have explored eight different DDM variants and multiple input variables (observed precipitation, air temperature, and streamflow) at different lag times prior to the simulation day. Based on a case study involving three Swiss catchments, the proposed CDDA framework is shown to be very promising at improving ensemble streamflow simulations, reducing the mean continuous ranked probability score by 16-29 % when compared to the standalone HM. It was found that eXtreme Gradient Boosting (XGB) and Random Forests (RF), each using 29 input variables, were the strongest predictors of the HM residuals. However, similar performance could be achieved by selecting only the six most important (of the original 29) input variables and re-training the XGB and RF models. Additional experimentation shows that by converting CDDA to a stochastic framework (i.e., to account for important uncertainty sources), significant gains in model performance can be achieved.

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)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,005
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 enseignants0,005
Score d'incertitude au seuil0,010

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,005
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

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.

Tête enseignante Opus0,118
Tête enseignante GPT0,291
Écart entre enseignants0,174 · 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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