Learning from one’s errors: A data-driven approach for mimicking an ensemble of hydrological model residuals
Notice bibliographique
Résumé
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.
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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 | 0,002 | 0,005 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 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 ».