FedRAIN-Lite:理想的な数値天気予報および気候モデル改善のための連合強化学習アルゴリズム
なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。
arXiv:2508.14315v2発表。更新版。
要旨:気候モデルにおけるサブグリッドパラメタリゼーションは、従来静的でオフラインで調整されており、変化する状態への適応性が限られている。本研究は、一般循環モデル(GCM)で使用される空間分解を反映し、エージェントを緯度帯に割り当てることで局所的なパラメータ学習と周期的なグローバル集約を可能にする、連邦強化学習(FedRL)フレームワークであるFedRAIN-Liteを紹介する。単一エージェントベースライン(ebm-v1)からマルチエージェントアンサンブル(ebm-v2)、GCM類似(ebm-v3)設定までの簡略化されたエネルギー収支気候モデルの階層を用いて、様々なFedRL構成下で3つのRLアルゴリズムをベンチマークする。結果は、Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG)が静的および単一エージェントベースラインを常に上回り、ebm-v2およびebm-v3設定において、熱帯および中緯度帯でより速い収束とより低い面積加重RMSEを示すことを示している。DDPGのハイパーパラメータ間での転移能力と低い計算コストは、地理的に適応的なパラメータ学習に適している。この能力は、高複雑性GCMへのスケーラブルな経路を提供し、変化する気候とともに進化できる物理的に整合したオンライン学習気候モデルのプロトタイプを提供する。コードはhttps://github.com/p3jitnath/climate-rl-fedrlでアクセス可能。
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Title (EN): FedRAIN-Lite: Federated Reinforcement Algorithms for Improving Idealised Numerical Weather and Climate Models
arXiv:2508.14315v2 Announce Type: replace
Abstract: Sub-grid parameterisations in climate models are traditionally static and tuned offline, limiting adaptability to evolving states. This work introduces FedRAIN-Lite, a federated reinforcement learning (FedRL) framework that mirrors the spatial decomposition used in general circulation models (GCMs) by assigning agents to latitude bands, enabling local parameter learning with periodic global aggregation. Using a hierarchy of simplified energy-balance climate models, from a single-agent baseline (ebm-v1) to multi-agent ensemble (ebm-v2) and GCM-like (ebm-v3) setups, we benchmark three RL algorithms under different FedRL configurations. Results show that Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) consistently outperforms both static and single-agent baselines, with faster convergence and lower area-weighted RMSE in tropical and mid-latitude zones across both ebm-v2 and ebm-v3 setups. DDPG’s ability to transfer across hyperparameters and low computational cost make it well-suited for geographically adaptive parameter learning. This capability offers a scalable pathway towards high-complexity GCMs and provides a prototype for physically aligned, online-learning climate models that can evolve with a changing climate. Code accessible at https://github.com/p3jitnath/climate-rl-fedrl.
Published: 2025-09-24 19:00 UTC