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【科学强国】AI天气预报，准确吗？

2023-06-28 20:17:55来源：科学强国微信公众号

夏日街头。图源：卡乐图片宁颖/摄

面对气候变暖，人类应该如何应对？一些科学家寄望于目前火热的人工智能。

(相关资料图)

今年4月，中国发布的人工智能大模型“风乌”，首次实现在高分辨率上对核心大气变量进行超过10天的有效预报。“风乌”大模型仅用GPU便可运行，30秒即可生成未来10天全球高精度预报结果。

此前，在北京冬奥会赛场，得益于北京大学重庆大数据研究院开发出人工智能MOML算法赋能天气预报模型，气象短时临近预报“百米级尺度、分钟级更新”已经实现。

当气象服务遇到人工智能

近几十年来，对地球、环境和天气系统的监测取得了突飞猛进的发展。1851年，英国首先通过电报传送观测资料，绘制成地面天气图，并根据天气图制作天气预报。如今，多颗卫星从太空监测地球。

天气科学正处于重大范式转变的风口浪尖。卫星监测提供了如此多的数据，因此利用机器学习的最新进展来处理这些数据变得至关重要。

随着近年来全球气候变化加剧，极端天气频发，各界对天气预报的时效和精度的期待更是与日俱增。

从数据上看，全球气温升高的趋势相当明显。尽管此前3年的拉尼娜现象对全球气温起到了暂时“刹车”作用，但过去8年仍是有记录以来最热的8年。其中，2016年是有记录以来全球最热的一年。目前有多家机构预测，2023年或2024年极有可能超过2016年，创造新的全球最暖纪录。

随着深度学习技术和框架的不断成熟，以ChatGPT、“书生”（Intern）为代表的人工智能大模型在自然语言和视觉等领域展示出卓越的能力，人工智能亦为地球科学等领域带来全新的研究思路。

运用“风乌”大模型，全球气象有效预报时间首次突破10天。图源：文汇报

“风乌”大模型，仅需30秒

今年4月，中国发布的人工智能大模型“风乌”，首次实现在高分辨率上对核心大气变量进行超过10天的有效预报。

在预报精度方面，相比DeepMind的GraphCast，“风乌”的10天预报误差降低10.87%，而相比于传统的物理模型，其误差降低19.4%。在预报时效方面，根据国际常用的标准，z500 ACC大于0.6时气象预报结果具有可用性，可以较好地指导预报员判断未来气象发展形势。此前，全球范围内最好的物理模型HRES在此标准范围内，有效预报时长最大为8.5天，而“风乌”基于再分析数据达到了10.75天。在资源效率方面，现有物理模型往往运行在超级计算机上，而“风乌”AI大模型仅需单GPU便可运行，仅需30秒即可生成未来10天全球高精度预报结果。

在气象气候预报任务中，全球中期天气预报是重要预测任务之一，它以预测未来14天内的大气系统状态为目标。“风乌”在预报精度上降低了误差，在时效上突破了10天，而且仅需单GPU（图形处理器）便可运行。

上海人工智能实验室领军科学家欧阳万里说：“‘风乌’取名自秦汉时期的‘相风铜乌’，是世界上最早的测风设备。天气预报大模型‘风乌’承载中国古人的智慧，也寓意实验室致力于在以气象为代表的人工智能服务科学领域不懈探索。”

能否取代传统天气预报？

那么，天气预报不准的情况会通过AI得到解决吗？在未来AI天气预报是否可能替代传统的天气预报？

从“风乌”的实践可以看出，人工智能应用于气象领域，从大数据中挖掘规律，可与传统的数理方程形成互补，为生产生活提供更准确、更实用的天气预报。气候变暖将让极端天气更频繁，人工智能可用于改善气象灾害警报系统，实现提前和精准预警，在防灾减灾中发挥更大作用。

中国科学院大气物理研究所研究员马柱国表示，人工智能进入气象预报和大气物理应用场景中，本质上带来的还是通过算力、算法对大数据等信息进行整合，对模型模式提供更多新的技术支持和方法，继而对预报准确性和效率加以提升，“但不能期待或者简单说人工智能取代传统的主流预测方法，至少目前尚不具备条件。”

马柱国认为，一旦大数据和人工智能技术得以引用和应用，可以输入大量的数据信息，将可数据化的全部信息，如将卫星云团走动之间的关系加以统计输入后，人工智能会生成提取更加精确的可用信息。

在武汉大学校长、中国科学院院士张平文看来，把人工智能广泛应用到气象领域，其机理与数据的融合计算非常具有挑战性。“比如，人工智能如何应用于求解数值天气预报模式的物理基础Navier-Stokes方程等，气象领域在这方面的算法研究还比较缺乏。”

展望未来，张平文充满信心：“人工智能在气象领域的应用，不仅将给人们提供更精准的预报服务，还将给气象行业甚至整个大气科学带来变革。”

（中国小康网综合中国青年网、中国经济时报、经济日报、封面新闻、文汇报、新民晚报等）

来源：中国小康网

作者：风华