Can causal discovery lead to a more robust prediction model for runoff signatures?
Notice bibliographique
Résumé
Runoff signatures characterize a catchment's response and provide insight into the hydrological processes. These signatures are governed by the co-evolution of catchment properties and climate processes, making them useful for understanding and explaining hydrological responses. However, catchment behaviors can vary significantly across different spatial scales, which complicates the identification of key drivers of hydrologic response. This study represents catchments as networks of variables linked by cause-and-effect relationships. We examine whether the direct causes of runoff signatures, representing independent causal mechanisms, can explain these catchment responses across different environments. To achieve this goal, we train the models using the causal parents of the runoff signatures and investigate whether it results in more robust, parsimonious, and physically interpretable predictions compared to models that do not use causal information. We compare predictive models that incorporate causal information derived from the relationships between the catchment, climate, and runoff characteristics. The Peter and Clark (PC) causal discovery algorithm is applied separately for 11 runoff signatures to derive causal relationships between catchment attributes, climate indices, and corresponding runoff signatures. Three prediction models – the Bayesian network (BN), generalized additive model (GAM), and random forest (RF) – are used for predictions. The results indicate that among models, BN, a linear model with a structure based on the causal network, exhibits the smallest decline in accuracy between training and test simulations compared to the other models. Across nearly all environments and runoff signatures, using causal parents enhances robustness and parsimony while maintaining the accuracy of GAMs. While RF achieves the highest overall performance, it also demonstrates the most significant drop in accuracy between the training and test phases. When the sample size for training is small, the accuracy of the causal RF model, which uses causal parents as predictors, is comparable to that of the non-causal RF model, which uses all selected variables as predictors, particularly for low-flow duration, high-flow duration, low flows, and high flows. This study demonstrates the potential of causal inference techniques for interpreting and enhancing the prediction of catchment responses by effectively representing the interconnected processes in hydrological systems in a cause-and-effect manner.
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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 | 0,006 | 0,027 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 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 ».