المحيط والغلاف الجوي يتعلمان التحدث بلغة واحدة ✛

الأصل: "Coupled Ocean-Atmosphere Dynamics in a Machine Learning Earth System Model"
arXiv:2406.08632 · 2024-06-12 · CC BY 4.0 · 2 دقيقة
الشبكة العصبية Ola تعيد إنتاج ظاهرة النينيو لأول مرة، من خلال نمذجة المحيط والغلاف الجوي ككيان واحد.

راقصان يقفان وجهاً لوجه، لكنهما لا يريان ملامح بعضهما. الأول هو الغلاف الجوي، سريع الحركة وسريع النسيان. والثاني هو المحيط، بطيء الإيقاع ولكنه طويل الذاكرة. ولكي يكتمل الأداء، عليهما أن يقودا بعضهما بالنظر فقط إلى يدي الشريك. هذا الثنائي بالضبط هو ما ابتكره الباحثون عند بناء نموذج Ola: شبكتان عصبيتان تتبادلان بضعة أرقام فقط، لكنهما معاً تعيدان إنتاج أحد أكثر إيقاعات الكوكب تقلباً، ألا وهو ظاهرة النينيو.

النينيو هي بقعة دافئة في المنطقة الاستوائية من المحيط الهادئ، تعمل كل بضع سنوات على تغيير الطقس في جميع أنحاء العالم.

سر الأداء مختبئ تحت الماء. الطبقة العليا من المحيط، حتى عمق 300 متر، تحتفظ بذاكرة الرياح السابقة وتُخرجها عبر درجة حرارة السطح. يستشعر الغلاف الجوي هذه الحرارة فيغيّر الرياح، التي تدفع المحيط من جديد. في السابق، كان العلماء يصفون هذا الترابط بمعادلات، لكن المعادلات كانت تتراكم فيها الأخطاء. أما Ola فقد سلكت طريقاً مختلفاً: الشبكة العصبية الخاصة بالغلاف الجوي تدرّبت على 36 عاماً من بيانات الطقس، بينما تدرّبت شبكة المحيط على 22 عاماً من بيانات درجات الحرارة والتيارات، ثم تم ربطهما في دورة متكاملة. شبكة المحيط ترى ثمانية مستويات من العمق، من نصف متر إلى 300 متر، وبالتالي تستطيع تمييز الطبقة التي تشهد انحداراً حاداً في درجة الحرارة، حيث يختبئ مستقبل النينيو.

استمر الاختبار خمس سنوات. أعادت Ola إنتاج النينيو وأيضاً شقيقته الباردة النينيا، وكانت درجة حرارة سطح المحيط في المنطقة الرئيسية قريبة من الواقع. كما ولّد النموذج أمواجاً تنتشر على طول خط الاستواء شرقاً وغرباً، تماماً كما يحدث في المحيط الحقيقي. الخطأ الملحوظ الوحيد حدث في شتاء 2021–2022، عندما لم يستطع النموذج الحفاظ على النينيا الثالثة على التوالي، لكن معظم التوقعات الأخرى فشلت في ذلك أيضاً.

في السابق، كان من غير الواضح ما إذا كانت الشبكة العصبية قادرة على تعلّم الديناميكا المترابطة بين المحيط والغلاف الجوي. أثبتت Ola أن ذلك ممكن. وحالياً، يمكن استخدام النموذج الأولي للتنبؤات الموسمية السريعة للأغراض البحثية: Ola تنجز توقعاً لستة أشهر في أقل من دقيقة على بطاقة رسوميات واحدة، بينما يحتاج النموذج القديم إلى ساعات على حاسوب فائق لنفس الحساب. الراقصان اللذان تعلّما فقط من خلال اليدين، صعدا بالفعل إلى المسرح.

توقع Ola لستة أشهر يستغرق أقل من دقيقة على بطاقة رسومية واحدة A100، بينما يحتاج النموذج التقليدي GFDL-SPEAR لنفس الحساب إلى ساعات على مجموعة حاسوبية.

العلماء
Ludwig BoltzmannHenri PoincaréJohn von NeumannJosiah Willard Gibbs
المفاهيم
ocean-atmosphere coupling zebiak cane model ENSO NOAA CPC North Atlantic Oscillation نموذج المناخ TAO/TRITON moorings El Niño-Southern Oscillation Multivariate ENSO Index spring predictability barrier relative ONI Indian Ocean Dipole La Niña ERA5 El Niño index climate network ensemble forecast sea surface temperature تنبؤ ERSST