論文の概要: Retrofitting Earth System Models with Cadence-Limited Neural Operator Updates

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.03309v1
• Date: Tue, 02 Dec 2025 23:44:49 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-04 20:02:55.044007
• Title: Retrofitting Earth System Models with Cadence-Limited Neural Operator Updates
• Title（参考訳）: ケーデンス制限型ニューラル演算子更新による地球系モデルの再適合
• Authors: Aniruddha Bora, Shixuan Zhang, Khemraj Shukla, Bryce Harrop, George Em. Karniadakis, L. Ruby Leung,
• Abstract要約: 本稿では,瞬時モデル状態をバイアス補正傾向にマッピングする演算子学習フレームワークを提案する。 ERA5の再解析に向け、2年間のE3SMシミュレーションを訓練し、オペレーターは高度と季節にまたがって一般化する。 本フレームワークは, 長期的安定性, ポータビリティ, ケイデンス限定更新を重視し, 表現力のあるML演算子の有用性を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.9578288463123
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Coarse resolution, imperfect parameterizations, and uncertain initial states and forcings limit Earth-system model (ESM) predictions. Traditional bias correction via data assimilation improves constrained simulations but offers limited benefit once models run freely. We introduce an operator-learning framework that maps instantaneous model states to bias-correction tendencies and applies them online during integration. Building on a U-Net backbone, we develop two operator architectures Inception U-Net (IUNet) and a multi-scale network (M\&M) that combine diverse upsampling and receptive fields to capture multiscale nonlinear features under Energy Exascale Earth System Model (E3SM) runtime constraints. Trained on two years E3SM simulations nudged toward ERA5 reanalysis, the operators generalize across height levels and seasons. Both architectures outperform standard U-Net baselines in offline tests, indicating that functional richness rather than parameter count drives performance. In online hybrid E3SM runs, M\&M delivers the most consistent bias reductions across variables and vertical levels. The ML-augmented configurations remain stable and computationally feasible in multi-year simulations, providing a practical pathway for scalable hybrid modeling. Our framework emphasizes long-term stability, portability, and cadence-limited updates, demonstrating the utility of expressive ML operators for learning structured, cross-scale relationships and retrofitting legacy ESMs.
• Abstract（参考訳）: 粗い解像度、不完全なパラメータ化、不確実な初期状態、強制は地球系モデル(ESM)の予測を制限する。 データ同化による従来のバイアス補正は、制約付きシミュレーションを改善するが、モデルが自由に動作すれば、利益は制限される。 我々は、瞬時モデル状態とバイアス補正傾向をマッピングし、統合中にそれらをオンラインに適用する演算子学習フレームワークを導入する。 Inception U-Net (IUNet) とM\&M (M\&M) の2つのオペレーターアーキテクチャを構築し、多様なアップサンプリングと受信フィールドを組み合わせて、E3SM (Energy Exascale Earth System Model) ランタイム制約下でのマルチスケール非線形特徴をキャプチャする。 E3SMシミュレーションはERA5の再分析のために2年間訓練され、オペレーターは高度と季節にまたがって一般化した。 両方のアーキテクチャは、オフラインテストにおいて標準のU-Netベースラインよりも優れており、パラメータカウントよりも機能的なリッチ性によってパフォーマンスが向上していることを示している。 オンラインハイブリッドE3SMの実行では、M\&Mは変数と垂直レベルの最も一貫したバイアス低減を提供する。 ML拡張構成は、マルチ年シミュレーションにおいて安定かつ計算可能であり、スケーラブルなハイブリッドモデリングのための実用的な経路を提供する。 我々のフレームワークは、長期的安定性、ポータビリティ、ケイデンスに制限のある更新を強調し、構造化された、クロススケールな関係を学習し、レガシーESMを復元するための表現型ML演算子の有用性を実証する。

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