Bridging knowledge gaps with hybrid machine-learning forest ecosystem models (ML-FEMs): inferential simulation of past understory light regimes
Notice bibliographique
Résumé
Soil moisture is a key limiting factor of plant productivity in boreal and montane regions, producing additional climate feedbacks through evaporation, regeneration, mortality, and respiration. Understory solar irradiation – the primary driver of surface temperature and evaporative demand – remains poorly represented in vegetation models due to a lack of 3-D canopy geometry. Existing models are further unable to represent processes lacking sufficient parameterization and/or knowledge, with no land model to date utilizing machine learning (ML) to represent vegetation processes. Here, we developed the first hybrid forest ecosystem model using ML (ML-FEM), a specific case of hybrid AI land model (a concept also invented here). In this approach, ML models are trained and validated with a ground-truth dataset, whether observations or high-fidelity simulations, before being applied to vegetation model parameters for inference, internally or externally to the model. Using this approach, we simulated annual understory global solar irradiation (Iu) across 25.2 Mha in southwestern Canada at 1-ha resolution under historical climate and fire scenarios. In cross-validation, we found that linear and ML regression models performed comparably well in the prediction of angular canopy cover (ACC), due to the linearity of its relationship to predictors (linear R2 = 0.938, RMSE = 0.079; ML R2 = 0.939, RMSE = 0.074). Reduced area burned, increased ignitions, and reduced regeneration potential for recent periods resulted in stable or reduced Iu. This suggests that diminished disturbance may reduce Iu through forest aging, masking latent regeneration decline. Only in the most extreme and unconstrained scenarios did Iu increase. In these experiments, conducted in late 2015, we demonstrated an entirely new class of hybrid models that we anticipated to be of vital importance to understanding and representing pattern-based processes in Earth system models.
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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) | 0,000 | 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 | 0,001 | 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 ».