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Causally-Informed Deep Learning to Improve Climate Models and Projections

Iglesias-Suarez, Fernando und Gentine, Pierre und Solino-Fernandez, Breixo und Beucler, Tom und Pritchard, Michael und Runge, Jakob und Eyring, Veronika (2024) Causally-Informed Deep Learning to Improve Climate Models and Projections. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129 (4), Seiten 1-16. Wiley. doi: 10.1029/2023JD039202. ISSN 2169-897X.

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Offizielle URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JD039202

Kurzfassung

Climate models are essential to understand and project climate change, yet long-standing biases and uncertainties in their projections remain. This is largely associated with the representation of subgrid-scale processes, particularly clouds and convection. Deep learning can learn these subgrid-scale processes from computationally expensive storm-resolving models while retaining many features at a fraction of computational cost. Yet, climate simulations with embedded neural network parameterizations are still challenging and highly depend on the deep learning solution. This is likely associated with spurious non-physical correlations learned by the neural networks due to the complexity of the physical dynamical system. Here, we show that the combination of causality with deep learning helps removing spurious correlations and optimizing the neural network algorithm. To resolve this, we apply a causal discovery method to unveil causal drivers in the set of input predictors of atmospheric subgrid-scale processes of a superparameterized climate model in which deep convection is explicitly resolved. The resulting causally-informed neural networks are coupled to the climate model, hence, replacing the superparameterization and radiation scheme. We show that the climate simulations with causally-informed neural network parameterizations retain many convection-related properties and accurately generate the climate of the original high-resolution climate model, while retaining similar generalization capabilities to unseen climates compared to the non-causal approach. The combination of causal discovery and deep learning is a new and promising approach that leads to stable and more trustworthy climate simulations and paves the way toward more physically-based causal deep learning approaches also in other scientific disciplines.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/202881/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Causally-Informed Deep Learning to Improve Climate Models and Projections
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Iglesias-Suarez, FernandoDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-3403-8245NICHT SPEZIFIZIERT
Gentine, PierreColumbia University, New York, NY, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Solino-Fernandez, BreixoDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Beucler, TomUniversity of Lausanne, Lausanne, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0002-5731-1040NICHT SPEZIFIZIERT
Pritchard, MichaelUniversity of California, Irvine, CA, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0340-6327NICHT SPEZIFIZIERT
Runge, JakobDLR, DWNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:19 Februar 2024
Erschienen in:Journal of Geophysical Research: Atmospheres
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:129
DOI:10.1029/2023JD039202
Seitenbereich:Seiten 1-16
Verlag:Wiley
ISSN:2169-897X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:climate modeling; causality; deep learning
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Atmosphären- und Klimaforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Iglesias-Suarez, Dr. Fernando
Hinterlegt am:20 Feb 2024 13:02
Letzte Änderung:20 Feb 2024 13:02

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