Development of a Machine Learning Framework to Aid Climate Model Assessment and Improvement: Case Study of Surface Soil Moisture
Notice bibliographique
Résumé
The development of a computationally efficient machine learning-based framework to understand the underlying causes for biases in climate model simulated fields is presented in this study. The framework consists of a two-step approach, with the first step involving the development of a Random Forest (RF) model, trained on observed data of the climate variable of interest and related predictors. The second step involves emulations of the climate variable of interest with the RF model developed in step one by replacing the observed predictors with those from the climate model one at a time. The assumption is that comparing these emulations with that of a reference emulation driven by all observed predictors can shed light on the contribution of respective predictor biases to the biases in the climate model simulation. The proposed framework is used to understand the biases in the Global Environmental Multiscale (GEM) model simulated surface soil moisture (SSM) for the April–September period, over a domain covering part of north-east Canada. The grid cell-based RF model, trained on daily SSM and related climate predictors (water availability, 2 m temperature, relative humidity, snowmelt, maximum snow water equivalent) from the fifth generation European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis (ERA5), demonstrates great skill in emulating SSM, with root mean square error of 0.036. Comparison of the five RF emulations based on GEM predictors with that based on ERA5 predictors suggests that the biases in the mean April–September SSM can be attributed mainly to biases in three predictors: water availability, 2 m temperature and relative humidity. The regions where these predictors contribute to biases in SSM are mostly collocated with the regions where they are shown to be the among the top three influential predictors through the predictor importance analysis, i.e., 2 m temperature in the southern part of the domain, relative humidity in the northern part of the domain and water availability over rest of the domain. The framework, without having to undertake expensive simulations with the climate model, thus successfully identifies the main causes for SSM biases, albeit with slightly reduced skill for heavily perturbed simulations. Furthermore, identification of the causes for biases, by informing targeted climate model improvements, can lead to additional reductions in computational costs.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 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 tête enseignante, 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 ».