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Towards Physically Consistent Deep Learning For Climate Model Parameterizations

Kühbacher, Birgit und Iglesias-Suarez, Fernando und Kilbertus, Niki und Eyring, Veronika (2024) Towards Physically Consistent Deep Learning For Climate Model Parameterizations. International Conference on Machine Learning and Applications (ICMLA), 2024-10-16, Miami, FL, USA.

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Offizielle URL: https://arxiv.org/abs/2406.03920

Kurzfassung

Climate models play a critical role in understanding and projecting climate change. Due to their complexity, their horizontal resolution of about 40-100 km remains too coarse to resolve processes such as clouds and convection, which need to be approximated via parameterizations. These parameterizations are a major source of systematic errors and large uncertainties in climate projections. Deep learning (DL)-based parameterizations, trained on data from computationally expensive short, high-resolution simulations, have shown great promise for improving climate models in that regard. However, their lack of interpretability and tendency to learn spurious non-physical correlations result in reduced trust in the climate simulation. We propose an efficient supervised learning framework for DL-based parameterizations that leads to physically consistent models with improved interpretability and negligible computational overhead compared to standard supervised training. First, key features determining the target physical processes are uncovered. Subsequently, the neural network is fine-tuned using only those relevant features. We show empirically that our method robustly identifies a small subset of the inputs as actual physical drivers, therefore removing spurious non-physical relationships. This results in by design physically consistent and interpretable neural networks while maintaining the predictive performance of unconstrained black-box DL-based parameterizations.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/207896/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Towards Physically Consistent Deep Learning For Climate Model Parameterizations
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kühbacher, BirgitDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Iglesias-Suarez, FernandoDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-3403-8245NICHT SPEZIFIZIERT
Kilbertus, NikiTUM, MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDRL, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:16 Oktober 2024
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Machine learning, Deep learning, Climate models
Veranstaltungstitel:International Conference on Machine Learning and Applications (ICMLA)
Veranstaltungsort:Miami, FL, USA
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsdatum:16 Oktober 2024
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: Bastin, Melanie
Hinterlegt am:30 Okt 2024 13:13
Letzte Änderung:30 Okt 2024 13:13

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