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AI for atmosphere–ocean sciences: advancements, challenges and ways forward

计算机科学 人工智能 概化理论 缩小尺度 水准点(测量) 深度学习 数据科学 光学(聚焦) 机器学习 地球系统科学 预警系统 复杂系统 稳健性(进化) 计算模型 大数据 人工智能应用 数据同化 管理科学 气候模式 数据驱动 工作(物理) 动力系统理论 人工神经网络
作者
Jing-Jia Luo,Jiangjiang Xia,Baoxiang Pan,Yoo-Geun Ham,Xiaofeng Li,Wei Shangguan,Wei Xue,Yaqiang Wang,Bin Mu,Youngjoon Hong,Hao Li,Xiaohui Zhong,Kan Dai,Lei Bai,Fenghua Ling,Niklas Boers,Christopher Bretherton,B. L. Chen,Dongjin Cho,Pierre Gentine
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:13 (5): nwag063-nwag063
标识
DOI:10.1093/nsr/nwag063
摘要

Artificial intelligence (AI) is rapidly transforming Earth science, offering unprecedented capabilities to tackle the most pressing challenges in the field. This work explores significant advances and emerging challenges across the AI for atmosphere-ocean sciences, while outlining critical ways forward. We review deep-learning methods and their application in weather and climate forecasting, which outperforms dynamical models in accuracy and computational efficiency. The role of AI in detecting complex phenomena, enhancing data assimilation and reconstruction, bias correction and downscaling coarse model outputs is also examined. However, the 'black-box' nature of complex AI models necessitates a focus on explainable AI to build trust and extract mechanistic insight. The most promising path forward is identified as the development of hybrid physics-AI modeling, which integrates the data-driven power of AI with the foundational constraints of physical laws to ensure generalizability and causal consistency. A new framework for AI-based model intercomparison is essential for rigorous benchmark performance. Finally, we contextualize these technical developments by discussing the usefulness and applicability of AI to society, including the improvement of multi-hazard early-warning systems and green energy production. We conclude by envisioning the future of AI agents for Earth science-autonomous, goal-oriented systems capable of designing and running experiments, generating and testing hypotheses, and learning dynamics from multisource data. This synthesis underscores that AI is not merely a tool, but a paradigm shift, which will significantly improve how we understand and adapt to a changing climate.
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