インパクトに関連する地球システムモデル出力のスコアベース生成エミュレーション

要旨: 政策目標は、Coupled Model Intercomparison Project（結合モデル相互比較プロジェクト）のサイクルよりも速く変化するため、しばしば古くなった予測に対処しなければならない適応・緩和の計画が複雑になります。気候モデル出力エミュレータは、地球システムモデル（Earth System Model: ESM）の挙動に近いまま代替的な未来を迅速に探索できる、不確立な将来を対象とした低コストな代理（サロゲート）を提供することで、このギャップを埋めます。本研究の焦点は、影響（インパクト）モデルへの入力を提供することを目的に設計されたエミュレータです。地表付近の気温、降水、相対湿度、風速についての月平均のESM場を用いて、深層生成モデルが、影響に関連する変数の同時分布をモデル化できる可能性があることが示されます。提案する具体的なモデルは、球面メッシュ上でスコアに基づく拡散を行い、単一の中級クラスのグラフィックス処理ユニット（GPU）上で動作します。確率密度、変数間相関、初期出現時期（time of emergence）、あるいは裾（テイル）の挙動などを含め、エミュレータの出力とその親となるESMを比較するための包括的な一連の診断手法が導入されます。エミュレータの性能は、工業化前と強制（forced）レジームの両方で、3つの異なるESMに対して評価されます。その結果、エミュレータはESMの出力に非常に近い分布を生成し、主要な強制応答も捉えることが示されます。また、重要な失敗事例も明らかになります。とりわけ、季節サイクルに強いレジームシフトがある変数に対して顕著です。ESMとの完全な一致には至らないものの、エミュレータの不正確さは、ESMの予測における内部変動の大きさに比べて小さいことが分かります。これは、生成エミュレータが影響評価を支えるのに有用であり得ることを示唆しています。将来の開発の優先事項として、日次解像度、より細かい空間スケール、バイアスを考慮した学習が議論されます。コードは https://github.com/shahineb/climemu で公開されています。