High‐Resolution National‐Scale Water Modeling Is Enhanced by Multiscale Differentiable Physics‐Informed Machine Learning
Notice bibliographique
Résumé
Abstract The National Water Model (NWM) is a key tool for flood forecasting, planning, and water management. Key challenges facing the NWM include calibration and parameter regionalization when confronted with big data. We present two novel versions of high‐resolution (∼37 km 2 ) differentiable models (a type of hybrid model): one with implicit, unit‐hydrograph‐style routing and another with explicit Muskingum‐Cunge routing in the river network. The former predicts streamflow at basin outlets whereas the latter presents a discretized product that seamlessly covers rivers in the conterminous United States (CONUS). Both versions use neural networks to provide a multiscale parameterization and process‐based equations to provide a structural backbone, which were trained simultaneously (“end‐to‐end”) on 2,807 basins across the CONUS and evaluated on 4,997 basins. Both versions show great potential to elevate future NWM performance for extensively calibrated as well as ungauged sites: the median daily Nash‐Sutcliffe efficiency of all 4,997 basins is improved to around 0.68 from 0.48 of NWM3.0. As they resolve spatial heterogeneity, both versions greatly improved simulations in the western CONUS and also in the Prairie Pothole Region, a long‐standing modeling challenge. The Muskingum‐Cunge version further improved performance for basins >10,000 km 2 . Overall, our results show how neural‐network‐based parameterizations can improve NWM performance for providing operational flood predictions while maintaining interpretability and multivariate outputs. The modeling system supports the Basic Model Interface (BMI), which allows seamless integration with the next‐generation NWM. We also provide a CONUS‐scale hydrologic data set for further evaluation and use.
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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 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 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 ».