elib
DLR-Header
DLR-Logo -> http://www.dlr.de
DLR Portal Home | Impressum | Datenschutz | Barrierefreiheit | Kontakt | English
Schriftgröße: [-] Text [+]

Interpretable Machine Learning-Based Radiation Emulation for ICON

Hafner, Katharina und Iglesias-Suarez, Fernando und Shamekh, Sara und Gentine, Pierre und Giorgetta, M. A. und Pincus, Robert und Eyring, Veronika (2025) Interpretable Machine Learning-Based Radiation Emulation for ICON. Journal of Geophysical Research: Machine Learning and Computation, 2 (4), e2024JH000501. Wiley. doi: 10.1029/2024JH000501. ISSN 2993-5210.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JH000501

Kurzfassung

The radiation parameterization is one of the computationally most expensive components of Earth system models (ESMs). To reduce computational cost, radiation is often calculated on coarser spatial or temporal scales, or both, than other physical processes in ESMs, leading to uncertainties in cloud-radiation interactions and thereby in radiative temperature tendencies. One way to address this issue is to emulate the radiation parameterization using machine learning (ML), which is typically faster and has good accuracy in high-dimensional parameter spaces. This study investigates the development and interpretation of an ML-based radiation emulator using the ICOsahedral Non-hydrostatic model with the RTE+RRTMGP radiation code, which calculates radiative fluxes based on the atmospheric state and its optical properties. With a Bidirectional Long Short-Term Memory architecture, which can account for vertical bidirectional auto-correlation, we can accurately emulate shortwave and longwave heating rates with a mean absolute error of 0.045 K/d (2.77%) and 0.060 K/d (4.50%), respectively. Further, we analyze the trained neural networks using Shapley Additive exPlanations and confirm that the networks have learned physically meaningful relationships among the inputs and outputs. It is worth noting that we observe that the local temperature is used as a predictive source for the longwave heating, consistent with physical models of radiation. For shortwave heating, we find that clouds reflect radiation, leading to reduced heating below the cloud. In contrast, an architecture that is not inspired by the underlying physics, such as a multilayer perceptron, tends to rely on spurious or less physically meaningful correlations to make its predictions.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218393/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Interpretable Machine Learning-Based Radiation Emulation for ICON
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Hafner, KatharinaDLR, IPAhttps://orcid.org/0009-0009-5272-0409196074487
Iglesias-Suarez, FernandoDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-3403-8245NICHT SPEZIFIZIERT
Shamekh, SaraNew York University, New York, NY, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gentine, PierreDepartment of Earth and Environmental Engineering, Columbia University, New York, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Giorgetta, M. A.MPI für Meteorologie, HamburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pincus, RobertLamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, Palisades, NY, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:30 September 2025
Erschienen in:Journal of Geophysical Research: Machine Learning and Computation
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Band:2
DOI:10.1029/2024JH000501
Seitenbereich:e2024JH000501
Verlag:Wiley
ISSN:2993-5210
Status:veröffentlicht
Stichwörter:radiation, climate modelling, machine learning, XAI, ICON, parameterization
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: Hafner, Katharina
Hinterlegt am:05 Nov 2025 08:36
Letzte Änderung:05 Nov 2025 08:36

Nur für Mitarbeiter des Archivs: Kontrollseite des Eintrags

Blättern
Suchen
Hilfe & Kontakt
Informationen
OpenAIRE Validator logo electronic library verwendet EPrints 3.3.12
Gestaltung Webseite und Datenbank: Copyright © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Alle Rechte vorbehalten.