深層学習に基づくENSO予測の不確実性削減手法を開発(Scientists Develop Observation-Informed Deep Learning to Cut ENSO Projection Uncertainty)

2025-09-03 中国科学院(CAS)

エルニーニョ・南方振動(ENSO)は地球気候における最強の年々変動で、極端気象や生態系、経済に大きな影響を与えるが、既存の気候モデルは将来予測に大きなばらつきを示してきた。中国科学院海洋研究所(IOCAS)の王凡教授らの研究チームは、深層学習を活用してENSO予測の不確実性を低減する手法を開発し、成果をNature Communicationsに発表した。研究では、CMIP6気候モデルの過去データと将来シナリオを用い、11種類の人工ニューラルネットワーク(ANN)を訓練し、さらに観測データで検証を行った。その結果、観測に基づいたANNは熱帯太平洋の海面水温(SST)変化とENSO変動の関係を正確に再現し、中央赤道域や西部太平洋でのSST変化に高感度を示すなど、実際のENSO力学を内在化していた。高排出シナリオ下の21世紀ENSO予測では、不確実性が従来のCMIPモデルに比べ54%削減された。さらに、太平洋の20世紀温暖化パターンを解析したところ、深層学習が特定したENSO制御の鍵領域に着目すれば、観測とモデルは一貫して「エルニーニョ様」の温暖化傾向を示すことが分かった。本研究はENSO将来予測の物理的根拠を定量的に提示するものである。

深層学習に基づくENSO予測の不確実性削減手法を開発(Scientists Develop Observation-Informed Deep Learning to Cut ENSO Projection Uncertainty)
Reduced uncertainty in ENSO SST amplitude projections using deep learning. (Image by IOCAS)

<関連情報>

観測データに基づく深層学習を用いたENSO予測 Projection of ENSO using observation-informed deep learning

Yuchao Zhu,Rong-Hua Zhang,Fan Wang,Wenju Cai,Delei Li,Shoude Guan & Yuanlong Li
Nature Communications  Published:19 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63157-z

Abstract

The El Niño-Southern Oscillation (ENSO) profoundly impacts global climate, but its sea surface temperature (SST) variability projected by climate models remains uncertain, with a substantial inter-model spread in 21st-century projections. Model-observation discrepancies in ENSO physics contribute to this uncertainty, necessitating observational constraints to refine projections. However, methods to achieve this constraint remain unclear. Here, we show that deep learning informed by the observed response of ENSO SST variability to tropical Pacific warming patterns reduces projection uncertainty by 54% under a high-emission scenario. Specifically, artificial neural networks (ANNs), trained on climate model simulations and observations, successfully capture the real-world ENSO response. Interpretability analyses reveal that replicating observed ENSO physics by ANNs is critical, identifying warming in the far-eastern and central equatorial Pacific as key to ENSO change. A model-as-truth approach further confirms the robustness of ANN-generated projections. By conditioning future ENSO SST variability projection on the ANN-inferred ENSO response to tropical Pacific warming, uncertainty is reduced from a range of 0.59 °C to 0.27 °C. Our results highlight the prospect of integrating machine learning with observations to reduce uncertainty in climate projections.

1702地球物理及び地球化学
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