Machine Learning-based Global Lightning Prediction from Convective Parameters
Notice bibliographique
Résumé
Forecasting lightning from environmental parameters is well established for mid-latitude regions over land. A combination of lifted index (LI), convective available potential energy (CAPE), convective inhibition (CIN) and relative humidity in the mid-troposphere are known to be good predictors of lightning occurrence. However, forecasting lightning globally with these parameters is less skillful, particularly in the tropics and ocean surface. Using the XGBoost machine learning method, we implemented a global lightning forecast from a selection of environmental parameters derived from ERA5 and thundeR package. The method is trained efficiently on several millions of pairs between global lightning observations and hundreds of convective parameters. In a first experiment, called BigXGB, we trained models over the entire globe using all parameters. For a second experiment, called RegionalizedXGB, we trained four different models for : land mid-latitude (LM), ocean mid-latitude (OM), land tropics (LT) and ocean tropics (OT). Finally, in a third experiment we incrementally dropped the least important feature in term of information gain until only one feature remained. When trained on years 2019-2022, BigXGB achieved a ROC-AUC score of 0.94 for entire domain (LM: 0.97, LT: 0.92, OM: 0.98, OT: 0.95) on the 2023 test year, with a special CIN formulation (MU5_CIN_4km), a special LI formulation (MU5_LI_eff), total column cloud ice water (tciw), and total column liquid supercooled water (tcslw), being the four most important features. RegionalizedXGB obtained similar scores to BigXGB when using the same set of features, but with the most important features varying by region. The most important features for LM and OM were related to LI, CIN and CAPE while for LT and OT the most skillful predictors were more diversified. Incrementally dropping features showed that only 40-50 features are necessary to obtain top performance, with significant performance declines below 15 features. Many top convective parameters are variants of different parcel types (most-unstable, mixed-layer, etc.), indicating that a variety of flavours of the same convective parameters help to increase predictive accuracy. A calibrated probabilistic lightning occurrence forecast was then obtained by isotonic regression between raw uncalibrated predictions and frequency of observations. This new global lightning prediction machine learning-based model opens the door to design global lightning climatology for the past 75 years and for implementing accurate lightning diagnostics in operational global numerical weather prediction.
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 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 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| 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 | 0,001 |
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.
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 ».