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Emulating grid-based forest carbon dynamics using machine learning: an LPJ-GUESS v4.1.1 application

Natel, Carolina ORCID iD icon 1,2; Belda, David Martín 1,2; Anthoni, Peter 1,2; Haß, Neele 3; Rabin, Sam; Arneth, Almut 1,2
1 Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung (IMKIFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
3 Institut für Geographie und Geoökologie (IFGG), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

The assessment of forest-based climate change mitigation strategies relies on computationally intensive scenario analyses, particularly when dynamic vegetation models are coupled with socioeconomic models in multi-model frameworks. In this study, we developed surrogate models for the LPJ-GUESS dynamic global vegetation model to accelerate the prediction of carbon stocks and fluxes, enabling quicker scenario optimization within a multi-model coupling framework. We trained two machine learning methods: random forest and neural network. We assessed and compared the emulators using performance metrics and Shapley-based explanations. Our emulation approach accurately captured global and biome-specific forest carbon dynamics, closely replicating the outputs of LPJ-GUESS for both historical (1850–2014) and future (2015–2100) periods under various climate scenarios. Among the two trained emulators, the neural network extrapolated better at the end of the century for carbon stocks and fluxes and provided more physically consistent predictions, as verified by Shapley values. Overall, the emulators reduced the simulation execution time by 95 %, bridging the gap between complex process-based models and the need for scalable and fast simulations. ... mehr


Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000183358
Veröffentlicht am 23.07.2025
Cover der Publikation
Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Geographie und Geoökologie (IFGG)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung (IMKIFU)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2025
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 1991-9603
KITopen-ID: 1000183358
Erschienen in Geoscientific Model Development
Verlag Copernicus Publications
Band 18
Heft 14
Seiten 4317–4333
Vorab online veröffentlicht am 18.07.2025
Nachgewiesen in OpenAlex
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