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Enregistrement W4414947999 · doi:10.5194/hess-29-5005-2025

How well do process-based and data-driven hydrological models learn from limited discharge data?

2025· article· en· W4414947999 sur OpenAlexaff
Maria Staudinger, Anna Herzog, Ralf Loritz, Tobias Houska, Sandra Pool, Diana Spieler, Paul D. Wagner, Juliane Mai, Jens Kiesel, Stephan Thober, Björn Guse, Uwe Ehret

Notice bibliographique

RevueHydrology and earth system sciences · 2025
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrology and Watershed Management Studies
Établissements canadiensUniversity of WaterlooUniversity of Calgary
Organismes subventionnairesUniversität PotsdamDeutsche Forschungsgemeinschaft
Mots-clésEntropy (arrow of time)Multivariate statisticsRegressionModel selectionPredictive modellingTraining (meteorology)Regression analysisSelection (genetic algorithm)

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

It is widely assumed that data-driven models achieve good results only with sufficiently large training data, whereas process-based models are usually expected to be superior in data-poor situations. To investigate this, we calibrated several process-based and data-driven hydrological models using training datasets of observed discharge that differed in terms of both the number of data points and the type of data selection, allowing us to make a systematic comparison of the learning behaviour of the different model types. Four data-driven models (conditional probability distributions, regression trees, artificial neural networks, and long short-term memory networks) and three process-based models (GR4J, HBV, and SWAT+) were included in the testing, applied in three meso-scale catchments representing different landscapes in Germany: the Iller in the Alpine region, the Saale in the low mountain ranges, and the Selke in the transition between the Harz and central German lowlands. We used information measures (joint entropy and conditional entropy) for system analysis and model performance evaluation because they offer several desirable properties: they extend seamlessly from uni- to multivariate data, they allow direct comparison of predictive uncertainty with and without model simulations, and their boundedness helps to put results into perspective. In addition to the main question of this study – to what extent does the performance of different models depend on the training dataset? – we investigated whether the selection of training data (random, according to information content, contiguous time periods, or independent time points) plays a role. We also examined whether the shape of the learning curve for different models can be used to predict the achievable model performance based on the information contained in the data and whether using more spatially distributed model inputs improves model performance compared to using spatially lumped inputs. Process-based models outperformed data-driven ones for small amounts of training data due to their predefined structure. However, as the amount of training data increases, the learning curve of process-based models quickly saturates, and data-driven models become more effective. In particular, the long short-term memory network outperforms all process-based models when trained with more than 2–5 years of data and continues to learn from additional training data without approaching saturation. Surprisingly, fully random sampling of training data points for the HBV model led to better learning results than consecutive random sampling or optimal sampling in terms of information content. Analysing multivariate catchment data allows predictions about how these data can be used to predict discharge. When no memory was considered, the conditional entropy was high. However, as soon as memory was introduced in the form of the previous day or week, the conditional entropy decreased, suggesting that memory is an important component of the data and that capturing it improves model performance. This was particularly evident in the catchments in the low mountain ranges and the Alpine region.

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)0,008
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,029
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: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,008
Score d'incertitude au seuil0,044

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0080,029
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0020,005
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

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.

Tête enseignante Opus0,038
Tête enseignante GPT0,261
Écart entre enseignants0,223 · 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

Citations5
Publié2025
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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