Слепой поиск оптимальных предвестников Эль-Ниньо ✎

Оригинал: "The Sampling Method for Optimal Precursors of ENSO Events"
· Bin Shi, Junjie Ma
arXiv:2308.13830 · 2023-08-26 · CC BY-NC-SA 4.0 · собственный разбор · 3 мин
Метод выборки заменяет сложный расчёт градиента случайными пробами и находит те же оптимальные возмущения для модели Зебиака–Кейна в пять раз быстрее.

Контекст

Работа стоит в ряду исследований по квантовым алгоритмам и численным методам для сложных систем, где остро стоит проблема вычислительной стоимости. Соседние работы касаются предсказания Эль-Ниньо, ускорения энергосистем и квантовых методов, но данная статья выделяется тем, что переносит метод выборки из теоретических моделей на реалистичную прогностическую модель Зебиака–Кейна размерности порядка $10^4$–$10^5$. Это первая проверка подхода в климатическом моделировании.

Методы

В модели Зебиака–Кейна (ZC) рассматриваются аномалии температуры поверхности океана (SST) и глубины термоклина. Оптимальный предвестник ищется как решение задачи условной нелинейной оптимальной пертурбации (CNOP): максимизировать норму SST через 9 месяцев при ограничении на начальное возмущение. Вместо точного градиента, который требует сопряжённой модели, метод выборки использует формулу Стокса: градиент целевой функции выражается через математическое ожидание значений функции на случайных направлениях. Практически градиент приближается средним по n случайным векторам, равномерно распределённым на сфере. Поскольку выборки независимы, вычисления легко распараллеливаются: на суперкомпьютере с процессорами Intel Xeon Gold 6132 запускались параллельные прогоны модели.

Результаты

Пространственные паттерны оптимальных предвестников Эль-Ниньо, полученные методом выборки с 1000 проб, практически совпадают с паттернами сопряжённого метода: тёплое пятно около 0.2°C в восточной части Тихого океана и холодное в центральной, а также углубление термоклина примерно на 100 м. При 200 пробах основные черты сохраняются, хотя появляется небольшой шум. Количественно целевая функция (норма SST через 9 месяцев) составляет 16.8441 для сопряжённого метода, 16.6307 для выборки с 1000 проб (98.73%) и 15.4193 для 200 проб (91.54%). Динамика индекса Niño 3.4 в течение года также близка: относительная ошибка порядка 0.01°C для 1000 проб и 0.1°C для 200 проб, что мало по сравнению с характерной амплитудой индекса (около 1°C). Время вычислений сокращается с 15 секунд (50 итераций сопряжённого метода) до 3 секунд при параллельной выборке, то есть в 5 раз.

Значение

Метод выборки устраняет необходимость в сопряжённой модели, которую трудно разрабатывать для связанных моделей океан-атмосфера и моделей с параметризацией. Это открывает возможность вычислять CNOP для реалистичных климатических моделей, таких как WRF или FGOALS-s2, где сопряжённый подход практически нереализуем. Работа также показывает, что точность сохраняется при значительном сокращении числа проб, что важно для практических применений.

Развитие

Дальнейшие исследования могут быть направлены на применение метода выборки к более сложным моделям прогноза, включая региональные модели атмосферы и глобальные климатические модели. Также перспективно использование метода в четырёхмерном вариационном усвоении данных (4D-Var) для связанных систем, где сопряжённая модель отсутствует. Возможно улучшение стабильности метода при малом числе проб.

Влияние

Метод повлияет на численное прогнозирование климата и погоды, особенно в центрах, где используются модели без сопряжённых версий. Он также может быть полезен в усвоении данных и оценке предсказуемости.

Следующие шаги

Проверить метод на модели WRF для мезомасштабного прогноза и на модели FGOALS-s2 для декадного климатического прогноза. Исследовать стабильность при числе проб менее 200 и оптимизировать параллельную реализацию.

Ключевые проблемы

В области численного моделирования климата остаётся нерешённой проблема вычисления оптимальных возмущений для моделей высокой размерности без сопряжённого кода. Данная работа напрямую отвечает на открытый вопрос о существовании безсопряжённого алгоритма для моделей размерности 10^4–10^5, поставленный ранее.

Метод выборки основан на формуле Стокса, которая связывает интеграл по объёму с интегралом по поверхности. Здесь она позволяет заменить градиент на среднее от значений функции на сфере — изящный математический трюк.

В рассказе Айзека Азимова «Последний вопрос» суперкомпьютер ищет способ обратить энтропию, перебирая варианты. Метод выборки тоже перебирает случайные направления, но вместо полного поиска использует статистику, чтобы быстро найти оптимальное возмущение.

\nabla \hat{J}(u_0) = \frac{d}{\epsilon} \mathbb{E}_{v \in S^{d-1}} [J(u_0 + \epsilon v) v]
Градиент сглаженной функции равен среднему по сфере от произведения значения функции на направление, умноженному на размерность и обратный радиус.
\nabla \hat{J}(u_0) \approx \frac{d}{n \epsilon} \sum_{i=1}^n [J(u_0 + \epsilon v_i) v_i]
Градиент оценивается как среднее арифметическое по n случайным направлениям, что позволяет избежать вычисления точного градиента.

Ключевые числа

  • Целевая функция (норма SST через 9 месяцев): 16.8441 (сопряжённый метод), 16.6307 (выборка, 1000 проб), 15.4193 (выборка, 200 проб)
  • Процент совпадения целевой функции: 98.73% (1000 проб), 91.54% (200 проб)
  • Время вычислений (50 итераций): ≈15 с (сопряжённый), ≈3 с (выборка с параллельными вычислениями)
  • Ускорение: в 5 раз
  • Число проб: 1000 и 200 (также тестировалось 60, но нестабильно)
Понятия
модель Зебиака–Кейна энсо индекс Эль-Ниньо модель Джина–Тиммермана весенний барьер предсказуемости многомерный индекс ЭНСО южная осцилляция эль-ниньо южная осцилляция NOAA CPC буйковые станции TAO/TRITON ла-нинья ERSST NOAA PMEL TAO относительный они распространение экваториальных волн прогноз северное экваториальное противотечение объём тёплой воды методы Монте-Карло ансамблевый прогноз