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From stable online coupling to decade-long climate simulations: a machine learning parameterization for cloud microphysics in ICON

Sarauer, Ellen und Schwabe, Mierk und Weiss, Philipp und Lauer, Axel und Stier, Philip und Eyring, Veronika (2026) From stable online coupling to decade-long climate simulations: a machine learning parameterization for cloud microphysics in ICON. Machine Learning: Earth, 2 (2), 025015. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/3049-4753/ae9e2e. ISSN 3049-4753.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.1088/3049-4753/ae9e2e

Kurzfassung

The representation of cloud microphysics and its nonlinear character and scale-dependence is a remaining source of uncertainty in Earth system models (ESMs). Here, we develop and couple online a machine learning (ML)-based cloud microphysics parameterization with the Icosahedral non-hydrostatic modeling framework (ICON). The primary challenge is achieving numerically stable, long-term online coupling when transitioning from training with km-scale data to application in coarse-scale simulations, where the coupled system encounters atmospheric states and feedbacks not seen during training. The training data is obtained from a global convection-permitting ICON simulation at 5 km resolution, providing explicitly resolved convective dynamics unavailable at coarse scales. The ML microphysics scheme uses a two-stage design: a classifier to identify active grid cells and a regressor to predict cloud microphysical tendencies. Physical constraints such as enforcing mass positivity and overshoot prevention prove essential for numerical stability in the coupled system. We demonstrate that achieving stable online coupling requires enforcing physical constraints and careful dataset curation, and that strong offline performance alone is insufficient. The coupled model maintains numerical stability over decade-long simulations with a performance in reproducing the observed climate comparable to the classical graupel scheme. The ML-based scheme eliminates two microphysics-specific tuning parameters of the classical graupel scheme, directly reducing the scope for error compensation by tuning in future hybrid models, though systematic improvements in long-term mean-state biases are not yet realized. This study demonstrates that stable, decade-long climate simulations with an ML-based cloud microphysics scheme trained on convection-permitting data are feasible, providing a foundation for future hybrid ESMs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/227253/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:From stable online coupling to decade-long climate simulations: a machine learning parameterization for cloud microphysics in ICON
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, UKhttps://orcid.org/0000-0002-1191-0128NICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum: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/ae9e2e
Seitenbereich:025015
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
ISSN:3049-4753
Status:veröffentlicht
Stichwörter:cloud microphysics, machine learning, Earth system models, climate modeling, sub-grid scale parameterizations
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:22 Okt 2026 09:46
Letzte Änderung:22 Okt 2026 09:46

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