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Hydroinformatics and diversity in hydrological ensemble prediction systems


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Résumé:

Nous abordons la prévision probabiliste des débits à partir de deux perspectives basées sur la complémentarité de multiples modèles hydrologiques (diversité). La première exploite une méthodologie hybride basée sur l’évaluation de plusieurs modèles hydrologiques globaux et d’outils d’apprentissage automatique pour la sélection optimale des prédicteurs, alors que la seconde fait recourt à la construction d’ensembles de réseaux de neurones en forçant la diversité. Cette thèse repose sur le concept de la diversité pour développer des méthodologies différentes autour de deux problèmes pouvant être considérés comme complémentaires. La première approche a pour objet la simplification d’un système complexe de prévisions hydrologiques d’ensemble (dont l’acronyme anglais est HEPS) qui dispose de 800 scénarios quotidiens, correspondant à la combinaison d’un modèle de 50 prédictions météorologiques probabilistes et de 16 modèles hydrologiques globaux. Pour la simplification, nous avons exploré quatre techniques: la Linear Correlation Elimination, la Mutual Information, la Backward Greedy Selection et le Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). Nous avons plus particulièrement développé la notion de participation optimale des modèles hydrologiques qui nous renseigne sur le nombre de membres météorologiques représentatifs à utiliser pour chacun des modèles hydrologiques. La seconde approche consiste principalement en la sélection stratifiée des données qui sont à la base de l’élaboration d’un ensemble de réseaux de neurones qui agissent comme autant de prédicteurs. Ainsi, chacun d’entre eux est entraîné avec des entrées tirées de l’application d’une sélection de variables pour différents échantillons stratifiés. Pour cela, nous utilisons la base de données du deuxième et troisième ateliers du projet international MOdel Parameter Estimation eXperiment (MOPEX). En résumé, nous démontrons par ces deux approches que la diversité implicite est efficace dans la configuration d’un HEPS de haute performance.

Abstract:

In this thesis, we tackle the problem of streamflow probabilistic forecasting from two different perspectives based on multiple hydrological models collaboration (diversity). The first one favours a hybrid approach for the evaluation of multiple global hydrological models and tools of machine learning for predictors selection, while the second one constructs Artificial Neural Network (ANN) ensembles, forcing diversity within. This thesis is based on the concept of diversity for developing different methodologies around two complementary problems. The first one focused on simplifying, via members selection, a complex Hydrological Ensemble Prediction System (HEPS) that has 800 daily forecast scenarios originating from the combination of 50 meteorological precipitation members and 16 global hydrological models. We explore in depth four techniques: Linear Correlation Elimination, Mutual Information, Backward Greedy Selection, and Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). We propose the optimal hydrological model participation concept that identifies the number of meteorological representative members to propagate into each hydrological model in the simplified HEPS scheme. The second problem consists in the stratified selection of data patterns that are used for training an ANN ensemble or stack. For instance, taken from the database of the second and third MOdel Parameter Estimation eXperiment (MOPEX) workshops, we promoted an ANN prediction stack in which each predictor is trained on input spaces defined by the Input Variable Selection application on different stratified sub-samples. In summary, we demonstrated that implicit diversity in the configuration of a HEPS is efficient in the search for a HEPS of high performance.

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Version 2.3