Continuous streamflow prediction in ungauged basins: long short-term memory neural networks clearly outperform traditional hydrological models
Notice bibliographique
Résumé
Abstract. This study investigates the ability of long short-term memory (LSTM) neural networks to perform streamflow prediction at ungauged basins. A set of state-of-the-art, hydrological model-dependent regionalization methods are applied to 148 catchments in northeast North America and compared to an LSTM model that uses the exact same available data as the hydrological models. While conceptual model-based methods attempt to derive parameterizations at ungauged sites from other similar or nearby catchments, the LSTM model uses all available data in the region to maximize the information content and increase its robustness. Furthermore, by design, the LSTM does not require explicit definition of hydrological processes and derives its own structure from the provided data. The LSTM networks were able to clearly outperform the hydrological models in a leave-one-out cross-validation regionalization setting on most catchments in the study area, with the LSTM model outperforming the hydrological models in 93 % to 97 % of catchments depending on the hydrological model. Furthermore, for up to 78 % of the catchments, the LSTM model was able to predict streamflow more accurately on pseudo-ungauged catchments than hydrological models calibrated on the target data, showing that the LSTM model's structure was better suited to convert the meteorological data and geophysical descriptors into streamflow than the hydrological models even calibrated to those sites in these cases. Furthermore, the LSTM model robustness was tested by varying its hyperparameters, and still outperformed hydrological models in regionalization in almost all cases. Overall, LSTM networks have the potential to change the regionalization research landscape by providing clear improvement pathways over traditional methods in the field of streamflow prediction in ungauged catchments.
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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) | 0,000 | 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 | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| 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 ».