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Data-Driven Cloud Cover Parameterizations for the ICON Earth System Model Using Deep Learning and Symbolic Regression

Grundner, Arthur (2023) Data-Driven Cloud Cover Parameterizations for the ICON Earth System Model Using Deep Learning and Symbolic Regression. Dissertation, Universität Bremen. doi: 10.26092/elib/2821.

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8MB

Offizielle URL: https://media.suub.uni-bremen.de/handle/elib/7739

Kurzfassung

This thesis delves into the improvement of cloud parameterizations in climate models through machine learning trained on coarse-grained output from high-resolution simulations. Utilizing the ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) modeling framework, it specifically targets the enhancement of cloud cover parameterization within the ICON Earth System Model. Three types of neural networks (NNs) differing in vertical locality are developed to estimate cloud cover, with globally trained NNs even applicable to distinct regional simulations. Interpretability analysis exposes model-specific biases and local relationships with the thermodynamic environment. Despite achieving high predictive performance, NNs necessitate post-hoc interpretation tools. To tackle this issue, a combined hierarchical modeling framework incorporating symbolic regression, feature selection, and physical constraints is proposed. The resulting equations, characterized by simplicity and physical consistency, attain performance comparable to NNs while demonstrating superior transferability to other realistic datasets. Our best equation adeptly captures cloud cover distributions across various regimes, notably excelling in representing marine stratocumulus clouds by learning to utilize the vertical relative humidity gradient. This research underscores the potential of deep learning in achieving accurate cloud parameterizations and emphasizes the effective role of symbolic regression in deriving interpretable, consistent equations for cloud cover.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/202993/
Dokumentart:Hochschulschrift (Dissertation)
Titel:Data-Driven Cloud Cover Parameterizations for the ICON Earth System Model Using Deep Learning and Symbolic Regression
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Grundner, ArthurDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-3765-242XNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:25 Oktober 2023
Erschienen in:Staats- und Universitätsbibliothek Bremen
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
DOI:10.26092/elib/2821
Seitenanzahl:140
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Cloud Cover, Parameterization, Machine Learning, Symbolic Regression, Equation Discovery, Physical Constraints, PySR, Sequential Feature Selection, Pareto Frontier, ICON, SHAP, Deep Learning, Neural Networks
Institution:Universität Bremen
Abteilung:Institut für Umweltphysik
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: Grundner, Arthur
Hinterlegt am:07 Mär 2024 11:30
Letzte Änderung:07 Mär 2024 11:30

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