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Physics-informed Machine Learning-based Cloud Microphysics parameterization for Earth System Models

Sarauer, Ellen und Schwabe, Mierk und Weiss, Philipp und Lauer, Axel und Stier, Philip und Eyring, Veronika (2024) Physics-informed Machine Learning-based Cloud Microphysics parameterization for Earth System Models. In: Physics-informed Machine Learning-based Cloud Microphysics parameterization for Earth System Models. The Twelfth International Conference on Learning Representations. Workshop: Tackling Climate Change with Machine Learning, 2024-05-07 - 2024-05-11, Wien, Österreich.

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Kurzfassung

In this study, we develop a physics-informed machine learning (ML)-based cloud microphysics parameterization for the ICON model. By training the ML parameterization on high-resolution simulation data, we aim to improve Earth System Models (ESMs) in comparison to traditional parameterization schemes. We investigate the usage of a multilayer perceptron (MLP) with feature engineering and physics-constraints, and use explainability techniques to understand the relationship between input features and model output. Our novel approach yields promising results, with the physics-informed ML-based cloud microphysics parameterization achieving an R score up to 0.777 for an individual feature. Additionally, we demonstrate a notable improvement in the overall performance in comparison to a baseline MLP, increasing its average R score from 0.290 to 0.613 across all variables. This approach to improve the representation of cloud microphysics in ESMs promises to enhance climate projections, contributing to a better understanding of climate change.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/204924/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Poster, Anderer)
Titel:Physics-informed Machine Learning-based Cloud Microphysics parameterization for Earth System Models
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sarauer, EllenDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schwabe, MierkDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-6565-5890NICHT SPEZIFIZIERT
Weiss, PhilippUniversity of Oxford, Oxford, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lauer, AxelDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-9270-1044NICHT SPEZIFIZIERT
Stier, PhilipUniversity of Oxford, Oxford, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Mai 2024
Erschienen in:Physics-informed Machine Learning-based Cloud Microphysics parameterization for Earth System Models
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Machine Learning, Earth System Model, Cloud Microphysics, Cloud Parameterization
Veranstaltungstitel:The Twelfth International Conference on Learning Representations. Workshop: Tackling Climate Change with Machine Learning
Veranstaltungsort:Wien, Österreich
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:7 Mai 2024
Veranstaltungsende:11 Mai 2024
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Quantencomputing-Initiative
DLR - Forschungsgebiet:QC AW - Anwendungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):QC - Klim-QML
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Sarauer, Ellen
Hinterlegt am:25 Jun 2024 09:48
Letzte Änderung:27 Aug 2024 11:26

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