Long-term stability is a critical property for deep learning-based data-driven digital twins of the Earth system. Such data-driven digital twins enable sub-seasonal and seasonal predictions of extreme environmental events, probabilistic forecasts, that require a large number of ensemble members, and computationally tractable high-resolution Earth system models where expensive components of the models can be replaced with cheaper data-driven surrogates. Owing to computational cost, physics-based digital twins, though long-term stable, are intractable for real-time decision-making. Data-driven digital twins offer a cheaper alternative to them and can provide real-time predictions. However, such digital twins can only provide short-term forecasts accurately since they become unstable when time-integrated beyond 20 days. Currently, the cause of the instabilities is unknown, and the methods that are used to improve their stability horizons are ad-hoc and lack rigorous theory. In this paper, we reveal that the universal causal mechanism for these instabilities in any turbulent flow is due to \textit{spectral bias} wherein, \textit{any} deep learning architecture is biased to learn only the large-scale dynamics and ignores the small scales completely. We further elucidate how turbulence physics and the absence of convergence in deep learning-based time-integrators amplify this bias leading to unstable error propagation. Finally, using the quasigeostrophic flow and ECMWF Reanalysis data as test cases, we bridge the gap between deep learning theory and fundamental numerical analysis to propose one mitigative solution to such instabilities. We develop long-term stable data-driven digital twins for the climate system and demonstrate accurate short-term forecasts, and hundreds of years of long-term stable time-integration with accurate mean and variability.


翻译:长期稳定性是地球系统深度学习基于数据驱动的数字化孪生的关键属性。此类数据驱动的数字孪生使得极端环境事件的次季节和季节预测、概率性预测成为可能,而这需要大量的集合成员和计算可行的高分辨率地球系统模型;其中,昂贵组件可以用更便宜的基于数据驱动的替代方案来实现。由于计算成本的限制,基于物理的数字孪生虽然有长期稳定性,但对于实时决策来说是不可行的。数据驱动的数字孪生提供了一种更便宜的替代方案,并能够提供实时预测。然而,这种数字孪生只能提供准确的短期预测,因为当时间大于20天时会变得不稳定。目前,这种不稳定性的原因尚不清楚,而且用于提高其稳定性的方法是临时的且缺乏严格的理论支持。在本文中,我们揭示了这些不稳定性的普遍因果机制在任何湍流流动中是由谱偏差引起的,在这种情况下,任何深度学习体系结构都是有偏的,它只会学习大尺度的动力学而完全忽略小尺度的动力学。我们进一步阐述了这种偏差是如何被湍流物理学和基于深度学习的时间积分器的收敛缺失放大的,进而导致不稳定的误差传播。最后,使用准地转动流和ECMWF再分析数据作为测试案例,我们填补了深度学习理论和基本数值分析之间的差距,提出了一种对这种不稳定性的缓解解决方案。我们为气候系统开发了长期稳定的数据驱动的数字孪生,并展示了准确的短期预测,以及数百年的长期稳定的时间积分,同时具有准确的均值和变化率。

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