Nieuw AI-model 'Neptune' voorspelt de oceaan tot twee maanden vooruit

Je kent de weerapp op je telefoon: die vertelt je wat het weer morgen doet, en soms nog voor een week vooruit. Maar wat als je wil weten hoe warm de oceaan over anderhalve maand is, of hoe dik het zee-ijs bij de Noordpool dan is? Daarvoor was tot nu toe geen snel model beschikbaar. Een groep onderzoekers presenteert nu een AI-model dat dit wél kan: Neptune.

Voorspellingen voor de komende twee weken tot twee maanden noemen wetenschappers "subseizoensvoorspellingen". Dat klinkt technisch, maar het is simpelweg de periode tussen het korte-termijn weerbericht en de lange-termijn klimaatverwachting. Deze voorspellingen zijn belangrijk voor bijvoorbeeld boeren die hun oogst plannen, waterbeheerders en verzekeraars die rekening houden met overstromingsrisico's.

Om zulke voorspellingen te maken, moet je weten wat de oceaan gaat doen. Oceanen slaan warmte op en beïnvloeden het weer op aarde enorm. Tot nu toe gebruikten wetenschappers hiervoor natuurkundige computermodellen die de oceaan stap voor stap doorrekenen. Dat kost veel rekenkracht en de modellen zijn lastig te verbeteren, omdat de programmacode ingewikkeld in elkaar zit.

Hoe werkt Neptune?

Neptune is anders: het is een zelflerend computermodel (AI) dat patronen heeft geleerd uit bestaande oceaandata. Het model combineert twee technieken. De eerste, convolutionele neurale netwerken, is goed in het herkennen van lokale patronen, zoals een specifieke stroming bij de kust. De tweede, sferische Fourier neurale operatoren, is goed in het combineren van patronen over de hele wereldbol, dus ook grote wisselwerkingen tussen verschillende oceaangebieden.

Het model krijgt dagelijkse gegevens over de atmosfeer als invoer. Daarmee berekent het onder meer de watertemperatuur, het zoutgehalte, zeestromingen, de zeespiegel en de dikte en hoeveelheid zee-ijs. Dit gebeurt zowel aan het oceaanoppervlak als dieper in het water, tot 60 dagen vooruit. Er zijn twee versies: Neptune-1, die de wereld opdeelt in vakken van ongeveer 111 bij 111 kilometer, en de preciezere Neptune-025, met vakken van zo'n 28 bij 28 kilometer.

De onderzoekers testten Neptune op verschillende manieren. Ze keken of de voorspellingen statistisch klopten, of de natuurkunde erachter logisch bleef (bijvoorbeeld de hoeveelheid warmte die de oceaan vasthoudt) en of bekende klimaatverschijnselen goed werden nagebootst. Denk aan El Niño, het periodieke opwarmingspatroon in de Stille Oceaan dat wereldwijd het weer beïnvloedt. Uit deze tests bleek dat Neptune de ontwikkeling van de oceaan over tijd en ruimte goed volgt, tot 60 dagen vooruit, en dat het model ook op langere termijn stabiel blijft.

Wat betekent dit (nog) niet: Neptune is een nieuw model van één onderzoeksgroep en is nog niet in de praktijk getest als vast onderdeel van weersvoorspellingen. Het model bootst de oceaan na op basis van geleerde patronen, maar vervangt de natuurkundige modellen nog niet volledig. Of het model net zo goed werkt bij extreme of ongebruikelijke omstandigheden, moet nog verder blijken.

Als dit soort AI-modellen zich verder bewijzen, kunnen ze voorspellingen over de oceaan en zee-ijs sneller en goedkoper maken. Dat kan op termijn helpen bij het inschatten van risico's op droogte, overstromingen of veranderingen in zee-ijs, nog voordat ze plaatsvinden.

Bron: Neptune: An AI model for Global Ocean Subseasonal Prediction