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Interpretable neural networks to predict momentum fluxes of orographic gravity waves

Haslauer, Elias und Schwabe, Mierk und Dörnbrack, Andreas und Gerber, Edwin P. und Rapp, Markus und Zagar, Nedjeljka und Eyring, Veronika (2026) Interpretable neural networks to predict momentum fluxes of orographic gravity waves. Machine Learning: Earth, 2 (2), 025007. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/3049-4753/ae7df2. ISSN 3049-4753.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1088/3049-4753/ae7df2

Kurzfassung

State-of-the-art Earth system models (ESMs) cannot explicitly resolve many small-scale atmospheric processes such as atmospheric gravity waves, and thus must represent, or parameterise, their effects on the resolved state. Machine learning (ML) has the potential to improve these parameterisations. In our study, we train neural networks (NNs) on ERA5 reanalysis data to predict momentum fluxes of orographic gravity waves as a function of the state variables at the resolution of a coarse ESM. Employing a full year of data, we extract inertia-gravity waves using the software MODES, which applies linear theory for wave filtering, and train ML models on data coarse-grained to the ESM’s target resolution. We consider four different cases: the full spectrum of inertia-gravity waves resolved in ERA5, or just the part of the spectrum that is subgrid-scale in the target ESM, both over all land or just over mountainous terrain. Our NNs successfully predict momentum fluxes, with a global coefficient of determination, R^2, ranging from 0.72 to 0.56, depending on the case, when evaluated offline with data from another year. An analysis of our models using SHAP values, an explainable AI technique, suggests that the networks learned physically meaningful relationships. In addition, we give a comparison with the physics-based parameterisation scheme by Lott and Miller. This work forms the basis for the development of operational ML-based parameterisations to improve the representation of gravity waves and their effects in climate models.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/225877/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Interpretable neural networks to predict momentum fluxes of orographic gravity waves
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Haslauer, EliasDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schwabe, MierkDLr, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-6565-5890NICHT SPEZIFIZIERT
Dörnbrack, AndreasDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gerber, Edwin P.Courant Institute of Mathematical Sciance, New York University, New YorkNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rapp, MarkusDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-1508-5900NICHT SPEZIFIZIERT
Zagar, NedjeljkaUniversität Hamburg, HamburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:23 Juli 2026
Erschienen in:Machine Learning: Earth
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Band:2
DOI:10.1088/3049-4753/ae7df2
Seitenbereich:025007
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Gentine, PierreDepartment of Earth and Environmental Engineering, Columbia University, New York, USAhttps://orcid.org/0000-0002-0845-8345NICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Institute of Physics (IOP) Publishing
Name der Reihe:Focus collection on AI for Weather and Climate Prediction
ISSN:3049-4753
Status:veröffentlicht
Stichwörter:climate models, gravity waves, parameterisations, subgrid processes, explainable AI
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
Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Institut für Physik der Atmosphäre > Angewandte Meteorologie
Institut für Physik der Atmosphäre > Zentrale Aufgaben PA
Hinterlegt von: Haslauer, Elias
Hinterlegt am:30 Jul 2026 08:55
Letzte Änderung:30 Jul 2026 08:55

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