AI-GOMS: Large AI-Driven Global Ocean Modeling System

要約

海洋モデリングは、海洋科学研究と海洋運営の基礎となる、海洋の物理的、化学的、生物学的プロセスをシミュレートするための強力なツールです。
最新の海洋数値モデリングは、主に支配方程式と数値アルゴリズムで構成されています。
非線形不安定性、計算コスト、低い再利用効率、および高い結合コストが、数値海洋モデリングのさらなる開発にとって徐々に主なボトルネックになってきています。
最近、科学コンピューティングにおける人工知能ベースのモデリングは、デジタル ツインと科学シミュレーションに対する革命的な可能性を示していますが、数値海洋モデリングのボトルネックはさらに解決されていません。
ここでは、正確かつ効率的に世界の海洋を毎日予測するための大規模な AI 駆動の地球規模海洋モデリング システムである AI-GOMS を紹介します。
AI-GOMS は、基本的な海洋変数予測のためのフーリエベースのマスク オートエンコーダー構造を備えたバックボーン モデルと、地域ダウンスケーリング、波浪デコード、および生化学カップリング モジュールを組み込んだ軽量微調整モデルで構成されています。
AI-GOMS は、1/4{\deg} 空間解像度で 15 の深度レイヤーを使用した全球海洋基本変数の 30 日間の予測で最高のパフォーマンスを達成しました。
AI-GOMS は、統計指標における優れたパフォーマンスに加えて、1/12{\deg} の空間解像度での黒潮地域の中スケール渦と、熱帯太平洋の海洋成層のシミュレーションを実現します。
AI-GOMS は、地球システム モデリングに新しいバックボーンとダウンストリームのパラダイムを提供し、システムを転送可能、拡張可能、再利用可能にします。

要約(オリジナル)

Ocean modeling is a powerful tool for simulating the physical, chemical, and biological processes of the ocean, which is the foundation for marine science research and operational oceanography. Modern numerical ocean modeling mainly consists of governing equations and numerical algorithms. Nonlinear instability, computational expense, low reusability efficiency and high coupling costs have gradually become the main bottlenecks for the further development of numerical ocean modeling. Recently, artificial intelligence-based modeling in scientific computing has shown revolutionary potential for digital twins and scientific simulations, but the bottlenecks of numerical ocean modeling have not been further solved. Here, we present AI-GOMS, a large AI-driven global ocean modeling system, for accurate and efficient global ocean daily prediction. AI-GOMS consists of a backbone model with the Fourier-based Masked Autoencoder structure for basic ocean variable prediction and lightweight fine-tuning models incorporating regional downscaling, wave decoding, and biochemistry coupling modules. AI-GOMS has achieved the best performance in 30 days of prediction for the global ocean basic variables with 15 depth layers at 1/4{\deg} spatial resolution. Beyond the good performance in statistical metrics, AI-GOMS realizes the simulation of mesoscale eddies in the Kuroshio region at 1/12{\deg} spatial resolution and ocean stratification in the tropical Pacific Ocean. AI-GOMS provides a new backbone-downstream paradigm for Earth system modeling, which makes the system transferable, scalable and reusable.

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