Advancing Physical Interpretability of Arctic Sea Ice Dynamics through Automatic Feature Selection
Notice bibliographique
Résumé
Modelling Arctic sea ice dynamics has proven to be a successful application for machine learning, leveraging its ability to generate accurate and computationally efficient forecasts. Nevertheless, prevailing limitations lie in the need for physical interpretability and the inability to unveil the dynamics and interdependencies between relevant ice-related variables and their drivers. In this study, we provide a two-step framework designed to combine the high accuracy and computational efficiency characteristics of machine learning while ensuring high interpretability.The first step of our framework entails time series clustering to identify subregions that are homogeneous with respect to the spatiotemporal variability in the considered variable and obtain the barycentric time series of each cluster. We then use an advanced feature selection algorithm, the Wrapper for Quasi Equally Informative Subset Selection, that identifies neural predictors, specifically Extreme Learning Machines, to forecast the future evolution of sea ice. It then provides the most relevant set of inputs necessary for accurately describing the evolution for each cluster.Our investigation focuses on the monthly evolution of sea ice thickness and uses data from the Pan-Arctic Ice-Ocean Modeling and Assimilation System (PIOMAS). Other PIOMAS variables (i.e., sea ice concentration, snow depth, sea surface temperature, and sea surface salinity) as well as observed discharge from five major Arctic rivers (i.e., Ob, Yenisey, and Lena in Asia, Mackenzie and Yukon in North America, provided by the Arctic Great Rivers Observatory discharge dataset) are considered as potential driving factors. Our results indicate the pivotal role of past sea ice thickness values, since the forthcoming state of sea ice seems to be influenced by both the current situation and historical trends and periodicity. Sea surface salinity in the open Arctic Ocean is highly persistent, and therefore is not used by the algorithm to explain the sea ice evolution. On the other hand, the Arctic rivers’ flows are more representative of the processes occurring in the clusters along the coast. Finally, the interaction between sea surface temperature and snow depth controls the interplay between ice formation and melting, and therefore plays a significant role in shaping the sea ice evolution in the short term.Our framework aims to advance our comprehension of the complex physical processes governing sea ice thickness evolution in the Arctic region. Moreover, its effectiveness in uncovering sea ice related processes is expected to further improve with the inclusion of additional input variables and, possibly, of a longer data record.
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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 | 0,005 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| 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 ».