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Reduced cloud cover errors in a hybrid AI-climate model through equation discovery and automatic tuning

Grundner, Arthur und Beucler, Tom und Savre, Julien und Lauer, Axel und Schlund, Manuel und Eyring, Veronika (2025) Reduced cloud cover errors in a hybrid AI-climate model through equation discovery and automatic tuning. Scientific Reports. Nature Publishing Group. doi: 10.1038/s41598-025-29155-3. ISSN 2045-2322.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
7MB

Offizielle URL: https://www.nature.com/articles/s41598-025-29155-3

Kurzfassung

Cloud-related parameterizations remain a leading source of uncertainty in climate projections. Although machine learning holds promise for Earth system models (ESMs), many data-driven parameterizations lack interpretability, physical consistency, and smooth integration into ESMs. Here, a two-step method is presented to improve a climate model with data-driven parameterizations. First, we incorporate a physically consistent cloud cover parameterization—derived from storm-resolving simulations via symbolic regression, preserving interpretability while enhancing accuracy—into the ICON global atmospheric model. Second, we apply the gradient-free Nelder–Mead optimizer to automatically recalibrate the hybrid model against Earth observations, tuning in nested stages (2-, 7-, 30- and 365-day runs) to ensure stability and tractability. The tuned hybrid model substantially reduces long-standing biases in cloud cover—particularly over the Southern Ocean (by 75%) and subtropical stratocumulus regions (by 44%)—and remains robust under +4K surface warming. These results demonstrate that interpretable machine-learned parameterizations, paired with practical tuning, can efficiently and transparently strengthen ESM fidelity.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220024/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Reduced cloud cover errors in a hybrid AI-climate model through equation discovery and automatic tuning
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Grundner, ArthurDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-3765-242X199868118
Beucler, TomUniversity of Lausanne, Lausanne, Switzerlandhttps://orcid.org/0000-0002-5731-1040NICHT SPEZIFIZIERT
Savre, JulienDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lauer, AxelDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-9270-1044NICHT SPEZIFIZIERT
Schlund, ManuelDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-5251-0158NICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Dezember 2025
Erschienen in:Scientific Reports
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1038/s41598-025-29155-3
Verlag:Nature Publishing Group
ISSN:2045-2322
Status:veröffentlicht
Stichwörter:machine learning, cloud cover, parameterization, ICON, climate model, symbolic regression
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:16 Dez 2025 09:11
Letzte Änderung:16 Dez 2025 09:11

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