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Enregistrement W4408442597 · doi:10.5194/egusphere-egu25-3093

Positioning ML Models for Spatial and Temporal Modeling of River Flows Through Causality and Information Content Analyses

2025· preprint· en· W4408442597 sur OpenAlexaffabout
Amin Elshorbagy, Duc Hai Nguyen, M. N. Khaliq, Muhammad Hanif Akhtar, Fisaha Unduche

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typepreprint
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrology and Watershed Management Studies
Établissements canadiensManitoba HydroCentre For Cold Ocean Resources EngineeringGovernment of AlbertaUniversity of Saskatchewan
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésContent (measure theory)Causality (physics)Computer scienceSpatial analysisEconometricsEnvironmental scienceGeographyRemote sensingMathematicsPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The use of artifical intelligence (AI) and machine learning (ML) approaches in various scientific and engineering disciplines has grown exponentially over recent years. This upsurge also includes applications of physics-guided ML models and explainable AI. However, in addition to the dificulties involved in the identification of relevant model inputs, the advantages, contributions, and credibility of ML models are still open challenges, especially when these models are evaluated against the perceptual hydrologic understanding of the system in question. In this study, we aim to investigate some of these challenges using the case of seasonal streamflow forecasting with lead times up to three months in several hydrologically challenging river basins of prairie provinces of Canada (i.e., Alberta, Saskatchewan, and Manitoba).Multiple ML techniques, including Random Forest (RF) and Long Short-Term Memory (LSTM) models, are used to produce ensemble forecasts for 135 sub-basins of the Nelson-Churchill River Basin, comprising the vast area from the Rocky mountains up to the Hudson Bay, with the monthly temporal resolution and spatial scales of the order of 200 km2 to ~1.0 x106 km2, as reflected by drainage areas of all sub-basins. A large set of potential inputs (105 predictors) is used in this study. These potential inputs include hydrometeorological variables derived from the Daymet database, Environment and Climate Change Canada’s hydrometric network, and hydrometeorological forecasts from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, and various static attributes of all sub-basins.The Pearson’s correlation coefficient (CC) and Partial Mutual Information (PMI) were used, as model agnostic methods, to analyze the set of potential predictors and identify the most appropriate inputs for seasonal flow forecasting, prior to ML model development. Subsequently, modeling experiments were designed to investigate the ML model performance and test the usefulness of CC and PMI based techniques on modeling results. The model-agnostic and model-dependent findings were compared and analyzed in light of the perceptual understanding of the hydrological system. Furthermore, the Convergent Cross-Mapping (CCM) method was used with selected variables to further explore the causal, rather than correlational, relationships and interpret the results with the aim of developing ethical and responsible ML (ERML) models. We define ERML models as data driven models that are transparent and hydrologically explainable.The preliminary results of this study indicate that PMI is quite effective in filtering some of the CC-based selections, which might form multiple equifinale sets of predictors. This step is critical for identifying the most relevant and necessary inputs. In spite of the coarse spatial and temporal resolutions, which complicate crisp hydrologic perceptions, the CCM method seems to support the selection of various input variables with hydrologic causality, strengthening the transparency and credibility of ML models.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni 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.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,006
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,037
Score d'incertitude au seuil0,074

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,006
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,002
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,001

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.

Tête enseignante Opus0,084
Tête enseignante GPT0,303
Écart entre enseignants0,220 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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 découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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