A comparative analysis for a deep learning model (hyDL-CO v1.0) and Kalman filter to predict CO concentrations in China
Notice bibliographique
Résumé
Abstract. The applications of novel deep learning (DL) techniques in atmospheric science are rising quickly. Here we build a hybrid DL model (hyDL-CO), based on convolutional neural networks (CNNs) and long short-term memory (LSTM) neural networks, to provide a comparative analysis between DL and Kalman filter (KF) to predict carbon monoxide (CO) concentrations in China in 2015–2020. We find the performance of DL model is better than KF in the training period (2015–2018): the mean bias and correlation coefficients are 9.6 ppb and 0.98 over eastern China and are −12.5 ppb and 0.96 over grids with independent observations (i.e., grids with CO observations that are not used in DL training and KF assimilation). By contrast, the assimilated CO concentrations by KF exhibit comparable correlation coefficients but larger negative biases. Furthermore, the DL model demonstrates good temporal extensibility in the test period (2019–2020): the mean bias and correlation coefficients are 95.7 ppb and 0.93 over eastern China and 81.0 ppb and 0.91 over grids with independent observations, while CO observations are not fed into the DL model as an input variable. Despite these advantages, we find a weaker prediction capability of the DL model than KF in the test period, and a noticeable underestimation of CO concentrations at extreme pollution events in the DL model. This work demonstrates the advantages and disadvantages of DL models to predict atmospheric compositions with respect to traditional data assimilation, which is helpful for better applications of this novel technique in future 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 | 0,002 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| 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 ».