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Data-Driven Equation Discovery of a Cloud Cover Parameterization

Grundner, Arthur und Beucler, Tom und Gentine, Pierre und Eyring, Veronika (2024) Data-Driven Equation Discovery of a Cloud Cover Parameterization. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Seiten 1-26. Wiley. doi: 10.1029/2023MS003763. ISSN 1942-2466.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
1MB

Offizielle URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023MS003763

Kurzfassung

A promising method for improving the representation of clouds in climate models, and hence climate projections, is to develop machine learning-based parameterizations using output from global storm-resolving models. While neural networks can achieve state-of-the-art performance within their training distribution, they can make unreliable predictions outside of it. Additionally, they often require post-hoc tools for interpretation. To avoid these limitations, we combine symbolic regression, sequential feature selection, and physical constraints in a hierarchical modeling framework. This framework allows us to discover new equations diagnosing cloud cover from coarse-grained variables of global storm-resolving model simulations. These analytical equations are interpretable by construction and easily transferable to other grids or climate models. Our best equation balances performance and complexity, achieving a performance comparable to that of neural networks (R2 = 0.94) while remaining simple (with only 11 trainable parameters). It reproduces cloud cover distributions more accurately than the Xu-Randall scheme across all cloud regimes (Hellinger distances < 0.09), and matches neural networks in condensate-rich regimes. When applied and fine-tuned to the ERA5 reanalysis, the equation exhibits superior transferability to new data compared to all other optimal cloud cover schemes. Our findings demonstrate the effectiveness of symbolic regression in discovering interpretable, physically-consistent, and nonlinear equations to parameterize cloud cover.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/203075/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Data-Driven Equation Discovery of a Cloud Cover Parameterization
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Grundner, ArthurDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-3765-242XNICHT SPEZIFIZIERT
Beucler, TomUniversity of Lausanne, Lausanne, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0002-5731-1040NICHT SPEZIFIZIERT
Gentine, PierreColumbia University, New York, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 März 2024
Erschienen in:Journal of Advances in Modeling Earth Systems
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1029/2023MS003763
Seitenbereich:Seiten 1-26
Verlag:Wiley
ISSN:1942-2466
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Cloud Cover, Parameterization, Machine Learning, Symbolic Regression, Equation Discovery, Physical Constraints, PySR, Sequential Feature Selection, Pareto Frontier
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:04 Mär 2024 11:03
Letzte Änderung:11 Nov 2024 14:06

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