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Evaluating the trustworthiness of explainable artificial intelligence (XAI) methods applied to regression predictions of Arctic sea-ice motion.

可信赖性 北极冰盖 北极的 运动(物理) 北极 海冰 计算机科学 气候学 自然地理学 计量经济学 人工智能 统计 地质学 地理 海洋学 数学 计算机安全
作者
Lauren Hoffman,Matthew R. Mazloff,Sarah T. Gille,Donata Giglio,Patrick Heimbach
标识
DOI:10.1175/aies-d-24-0027.1
摘要

Abstract Recent advances in explainable artificial intelligence (XAI) methods show promise for understanding predictions made by machine learning (ML) models. XAI explains how the input features are relevant or important for the model predictions. We train linear regression (LR) and convolutional neural network (CNN) models to make one-day predictions of sea-ice velocity in the Arctic from inputs of present-day wind velocity and previous-day ice velocity and concentration. We apply XAI methods to the CNN and compare explanations to variance explained by LR. We confirm the feasibility of using a novel XAI method (i.e. global layerwise relevance propagation (LRP)) to understand ML model predictions of sea-ice motion by comparing to established techniques. We investigate a suite of linear, perturbation-based, and propagation-based XAI methods in both local and global forms. Outputs from different explainability methods are generally consistent in showing that wind speed is the input feature with the highest contribution to ML predictions of ice motion, and we discuss inconsistencies in spatial variability of the explanations. Additionally, we show that CNN relies on both linear and non-linear relationships between the inputs and uses non-local information to make predictions. LRP shows that wind speed over land is highly relevant for predicting ice motion offshore. This provides a framework to show how knowledge of environmental variables (i.e. wind) on land could be useful for predicting other properties (i.e. sea-ice velocity) elsewhere.
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