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深度学习显著提升对极端事件的同化能力

深度学习,耦合资料

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.4 高影响天气气候事件可预报性及AI算法的应用

全球极端事件频发，而它们的发生发展多与多圈层物理量间非线性相互作用紧密联系，但目前天气-气候尺度极端事件预报预测精度受到初始条件准确性的约束。因此，如何采用准确、高效的同化方法针对耦合模式开展初始化，是当前极端事件预报预测的关键技术难点之一。而目前广泛使用的传统同化方法主要依赖背景误差协方差线性估计变量间的物理关系，其在捕捉变量间复杂的非线性相互作用特征上存在明显不足，进而限制了对小概率极端事件的同化性能，也一定程度制约了极端事件预报预测能力的提高。针对以上问题，研究团队利用深度神经网络（DNN）和长短期记忆网络（LSTM）模型，提出了非线性集合同化新方法。该方法通过准确提取多变量间的非线性关系特征，通过时间演变约束，显著提升了集合同化方法对极端事件的同化能力，展现了数据驱动策略在极端事件模拟预测中的重要潜力。

研究团队首先基于热带地区强海气相互作用特征揭示了非线性组分在变量关系中的普遍性和重要性，并证实了人工智能（AI）方法的确能够有效捕捉海气圈层变量间的非线性关系。随后，团队基于Lorenz 63海气耦合模式开展单变量观测同化试验，进一步探索了深度学习（DL）在海气耦合非线性同化中的表现能力。数据驱动的DL新同化方法能够较为准确地刻画物理量间随时间变化的非线性关系，进而实现了观测更新量（高斯分布）向先验预报场的非线性投影，最终生成更符合实际的非高斯分析场，有效提升了对极端事件的同化能力。