legoESM: um modelo de sistema terrestre modular, diferenciável, multiescala e pronto para IA, construído com agentes de IA

Os modelos do sistema terrestre cresceram tremendamente em termos de realismo, mas persistem incertezas importantes na resposta climática à forçação dos gases com efeito de estufa, particularmente devido às reações radiativas das nuvens. Os modelos do sistema terrestre (ESMs) cresceram tremendamente em termos de realismo, mas persistem incertezas importantes na resposta climática à forçação dos gases com efeito de estufa, particularmente devido aos feedbacks radiativos das nuvens.

Sua arquitetura de software não foi projetada para hardware acelerador ou inteligência artificial (IA) moderna. Aqui apresentamos legoESM, um ESM combinável, diferenciável e multiescala escrito em JAX.

Baseia-se em décadas de parametrizações e métodos numéricos desenvolvidos pela comunidade, reformulados numa estrutura unificada por agentes de codificação de IA sob um contrato científico especificado por humanos e verificados através de benchmarking. Núcleos dinâmicos, esquemas físicos, grades, níveis de complexidade e componentes podem ser trocados como blocos de construção e podem usar física convencional ou emuladores aprendidos por máquina.

Uma única base de código abrange simulação de grandes redemoinhos em escala de metro até simulações globais e de clima para clima. A diferenciabilidade ponta a ponta permite calibração baseada em gradiente, assimilação de dados variacionais e treinamento on-line.

A arquitetura modular legoESM permite a avaliação sistemática de diversas variantes de modelos para explorar a incerteza estrutural e testar hipóteses. LegoESM produz simulações realistas em escalas, reduz o desvio de temperatura da superfície terrestre por meio de calibração baseada em gradiente e dimensiona eficientemente em GPUs para simulações em escala de quilômetros.

Oferece uma infraestrutura comunitária aberta para testes de hipóteses, pesquisa e ensino em ciências da Terra e um modelo para sistemas físicos multiescala.

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