The behaviors and skills of models in many geoscientific domains strongly depend on spatially varying parameters that lack direct observations and must be determined by calibration. Calibration, which solves inverse problems, is a classical but inefficient and stochasticity-ridden approach to reconcile models and observations. Using a widely applied hydrologic model and soil moisture observations as a case study, here we propose a novel, forward-mapping parameter learning (fPL) framework. Whereas evolutionary algorithm (EA)-based calibration solves inversion problems one by one, fPL solves a pattern recognition problem and learns a more robust, universal mapping. fPL can save orders-of-magnitude computational time compared to EA-based calibration, while, surprisingly, producing equivalent ending skill metrics. With more training data, fPL learned across sites and showed super-convergence, scaling much more favorably. Moreover, a more important benefit emerged: fPL produced spatially-coherent parameters in better agreement with physical processes. As a result, it demonstrated better results for out-of-training-set locations and uncalibrated variables. Compared to purely data-driven models, fPL can output unobserved variables, in this case simulated evapotranspiration, which agrees better with satellite-based estimates than the comparison EA. The deep-learning-powered fPL frameworks can be uniformly applied to myriad other geoscientific models. We contend that a paradigm shift from inverse parameter calibration to parameter learning will greatly propel various geoscientific domains.


翻译:许多地球科学领域的模型行为和技能在很大程度上取决于缺乏直接观测且必须通过校准来确定的空间差异参数。校准解决了反问题,是一种古典但效率低且具有随机性的方法,可以调和模型和观察。我们在这里提出了一个创新的、前瞻性绘图参数学习(fPL)框架。而进化算法(EA)基于校准的校准一个一个解决空间差异问题,FPL解决了模式识别问题,并学会了更强、更普遍的绘图。比起基于EA的校准,校准是典型的,它可以省省略地标度计算时间,而令人惊讶的是,它能够产生等效的技术度度指标。随着更多的培训数据,在各地学习并显示超强的水文模型和土壤湿度观测结果,因此出现了一个更重要的效益:进化算法(EA)基于空间的校正校准参数,与物理领域更一致。结果表明,在非培训应用地点和不精确的地差值计算时间差值计算时间,比基于精确度的变率变量要好得多。将数据与精确的变压的变压的变压变量与精确的变压的变数比,在精确的模型中,可以比较。

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