AI for Earth：聆聽海洋「脈搏」，AI大模型精準(zhǔn)預(yù)測十年氣候脈動

作者 | 論文團(tuán)隊(duì)

編輯 | ScienceAI

地球的未來，寫在海洋的每一寸波瀾里。近日，一篇發(fā)表于《Science Advances》的重磅研究，為我們破譯海洋這部「天書」提供了一種全新的視角。

由上海人工智能實(shí)驗(yàn)室、復(fù)旦大學(xué)、南京信息工程大學(xué)等多家國際頂尖機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，該研究構(gòu)建了一個名為 ORCA-DL 的數(shù)據(jù)驅(qū)動全球海洋模型。它不再僅僅是傳統(tǒng)物理模型的優(yōu)化，而是一種范式級的革新 —— 讓 AI 直接學(xué)習(xí)海洋自身的演化邏輯，從而實(shí)現(xiàn)了從季節(jié)到長達(dá)十年的超高精度全球海洋預(yù)測。

這一突破性成果，標(biāo)志著我們應(yīng)對氣候變化的能力，進(jìn)入了一個由 AI 驅(qū)動的新紀(jì)元。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu2488

代碼地址：https://github.com/OpenEarthLab/ORCA-DL

根本性挑戰(zhàn)：

為何精準(zhǔn)預(yù)測海洋是氣候科學(xué)的「圣杯」？

地球上的氣候變化，本質(zhì)上是一部由海洋驅(qū)動的宏大敘事。作為地球系統(tǒng)中最主要的熱量與記憶的承載者，海洋儲存了 90% 以上的全球變暖熱量，其內(nèi)部緩慢而深刻的流動，主宰著全球能量的重新分配，決定著區(qū)域旱澇、全球冷暖。

因此，能否精準(zhǔn)預(yù)測海洋的動態(tài)，尤其是其覆蓋全球、深入千米的立體結(jié)構(gòu)，是整個氣候科學(xué)能否從「解讀過去」邁向「預(yù)見未來」的關(guān)鍵，是領(lǐng)域內(nèi)最核心的挑戰(zhàn)之一。

然而，近半個世紀(jì)以來，我們賴以預(yù)測氣候的傳統(tǒng)物理模型正面臨本質(zhì)性的瓶頸。這些模型試圖用有限的計(jì)算資源求解無限復(fù)雜的流體力學(xué)方程，不可避免地要在分辨率與算力成本間做出妥協(xié)，并引入對關(guān)鍵物理過程的「近似」參數(shù)化方案 。這導(dǎo)致了長期存在的系統(tǒng)性偏差和預(yù)測能力上限，使我們對厄爾尼諾、海洋熱浪等重大氣候事件的長期預(yù)警能力始終受限。

ORCA-DL 的誕生：

從「求解方程」到「學(xué)習(xí)海洋變化」

面對這一經(jīng)典難題，ORCA-DL 繞開了傳統(tǒng)路徑，開創(chuàng)了一條全新的「數(shù)據(jù)驅(qū)動」的認(rèn)知范式。它的核心思想不再是求解預(yù)設(shè)的方程，而是將海量的、包含了真實(shí)海洋運(yùn)行規(guī)律的數(shù)據(jù)作為「第一性原理」，其核心理念在于：

站在巨人的肩膀上學(xué)習(xí)： 精準(zhǔn)的海洋觀測數(shù)據(jù)在時空上是稀疏的。為了讓 AI 能夠看到大量的海洋演化過程，團(tuán)隊(duì)讓 ORCA-DL 學(xué)習(xí)了全球 20 個頂級氣候模式（CMIP6）積累的數(shù)百年模擬數(shù)據(jù)。這使得 ORCA-DL 能夠汲取全人類關(guān)于海洋物理知識的精華，像在多元宇宙中理解海洋的演化原理，從而集眾家之所長，學(xué)習(xí)到更接近真實(shí)海洋的、不確定性且物理一致的規(guī)律。

為海洋的時空演變設(shè)計(jì)分而治之的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)： 海洋是一個包含數(shù)百萬網(wǎng)格點(diǎn)、多變量、多層次相互作用的超高維系統(tǒng)。ORCA-DL 借鑒了傳統(tǒng)海洋環(huán)流模式的思想，設(shè)計(jì)了專用的海洋編碼器，讓模型同時「看到」并理解全球不同區(qū)域、不同深度的海洋信號是如何相互關(guān)聯(lián)，并引入時間多專家模塊，仿照常微分方程的形式進(jìn)行近似求解，從而讓模型自我感知不同變量（如溫度、鹽度、流速）之間跨越時空的復(fù)雜內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

圖 1. ORCA-DL 對全球海面溫度（SST）和海面環(huán)流（SSC）的精準(zhǔn)模擬。無論是宏大的洋流體系（如南極繞極流、赤道流系），還是精細(xì)的溫度分布，ORCA-DL 的模擬結(jié)果（B）都與真實(shí)世界的觀測（A）高度吻合，且顯著減少了傳統(tǒng)模型的系統(tǒng)性偏差（C-E）。

從預(yù)見未來到了解邊界：

ORCA-DL 的深遠(yuǎn)影響與前沿思考

ORCA-DL 的性能是進(jìn)一步提升的。它不再像之前的 AI 模型關(guān)注的是某個指標(biāo)的微小提升，而是在全球三維海洋建模上作了進(jìn)一步的突破。它貫通了海洋預(yù)測的多個尺度，它既能捕捉海洋次表層熱浪這類猛烈而迅速的極端事件 ，又能穩(wěn)穩(wěn)地維持住驅(qū)動長期氣候變化的深海「記憶」，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)十年的穩(wěn)定模擬，其累積誤差甚至低于多數(shù)物理模型。特別是它將厄爾尼諾現(xiàn)象的有效預(yù)報(bào)時長推進(jìn)至 20 個月 ，這為全球社會應(yīng)對極端天氣提供了更長的準(zhǔn)備時間。

圖 2.(A) 全球最強(qiáng)氣候信號 —— 厄爾尼諾（ENSO）的預(yù)測技巧對比。ORCA-DL 不僅全面超越了頂級的物理模型，甚至優(yōu)于專為 ENSO 設(shè)計(jì)的 AI 模型，將有效預(yù)測延伸至驚人的 20 個月。(B) 全球七個典型海域的海洋熱浪（MHWs）預(yù)測技巧。ORCA-DL 在所有區(qū)域都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)物理模型以及持續(xù)性預(yù)測，展現(xiàn)了其捕捉極端事件的強(qiáng)大能力。(C) ORCA-DL 長達(dá)十年的穩(wěn)定模擬。

然而，正如所有顛覆性的科學(xué)探索一樣，ORCA-DL 在開辟新大陸的同時，也清晰地標(biāo)示出了當(dāng)前認(rèn)知的邊界。研究團(tuán)隊(duì)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，指出了模型通向真正「數(shù)字孿生地球」之路所面臨的挑戰(zhàn)。

首先，模型的智慧源于對現(xiàn)有氣候模式數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，但這些數(shù)據(jù)本身也含有偏差，這構(gòu)成了模型能力的「天然」上限。

其次，模型能完美再現(xiàn)季節(jié)循環(huán)，但這更多來自對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的「記憶」，而非對太陽輻射等外部驅(qū)動力的實(shí)時物理響應(yīng)。這意味著，在面對未來由人類活動引發(fā)的、前所未有的氣候變化情景（如二氧化碳濃度急劇升高）時，它的預(yù)測能力仍需通過引入相應(yīng)的物理過程來進(jìn)一步增強(qiáng)。

正是這些清晰的邊界，定義了前行的方向。未來，通過融入人類活動（如碳排放）等外部強(qiáng)迫數(shù)據(jù)，ORCA-DL 有望演化為一個更加強(qiáng)大的「氣候模擬器」，為我們推演不同減排路徑下的地球未來。它甚至可以作為一個高效的「虛擬實(shí)驗(yàn)室」，讓科學(xué)家以極低的成本進(jìn)行「如果…… 將會怎樣」的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索氣候系統(tǒng)的因果鏈條。

從仰望星空的「風(fēng)烏」到俯瞰深海「虎鯨（ORCA）」，人類探索世界的工具正在經(jīng)歷一場智能革命。ORCA-DL 所代表的，正是這場革命中最激動人心的浪潮之一 —— 一個由 AI 驅(qū)動的、能夠與我們共同思考地球未來的「數(shù)字孿生」時代，正悄然到來。