近期全球出現(xiàn)一系列極端天氣，嚴重危及人類生產(chǎn)生活，各國對于更加精準、高效的中長期天氣預(yù)報的需求不斷提升。近日，上海人工智能實驗室聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理研究所及上海中心氣象臺發(fā)布全球中期天氣預(yù)報大模型“風烏”。《環(huán)球時報》記者日前專訪了“風烏”大模型的科學(xué)家團隊，聽他們詳細講述“風烏”背后的運作原理以及AI大模型將如何改變天氣預(yù)報。
精度、時效全面領(lǐng)先
據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，上海人工智能實驗室AI for Earth聯(lián)合團隊基于多模態(tài)多任務(wù)的深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了“風烏”大模型。由于不需要通過復(fù)雜的物理系統(tǒng)仿真，AI氣象預(yù)報模型突破了傳統(tǒng)預(yù)報方法的計算瓶頸，因此能夠高效地進行預(yù)報和集成。同時AI對氣象數(shù)據(jù)關(guān)系的強大擬合能力使其有潛力突破傳統(tǒng)數(shù)值模式預(yù)報中的性能瓶頸。
據(jù)上海人工智能實驗室領(lǐng)軍科學(xué)家歐陽萬里介紹：“風烏”取名自秦漢時期的“相風銅烏”，是世界上最早的測風設(shè)備。
氣象預(yù)報是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，從國家的風云衛(wèi)星、氣象站等收集數(shù)據(jù)，到數(shù)據(jù)整理、質(zhì)量控制，之后再到大氣同化，即對數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)預(yù)報模型的需求建立大氣狀態(tài)，最后才是預(yù)報和后處理。
上海人工智能實驗室青年科學(xué)家白磊向《環(huán)球時報》記者介紹，“風烏”模型主要聚焦于其中的預(yù)報環(huán)節(jié)，利用大氣再分析得出的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練“風烏”，繼而得到更加準確的天氣預(yù)報。
“風烏”大模型對大氣同化提供的要素，比如風速、溫度、濕度等，運用人工智能進行分析，用于預(yù)測未來的天氣。“人工智能能夠利用過往的氣象要素，如溫度對未來天氣進行預(yù)測，并獲得較好的預(yù)測結(jié)果。”歐陽萬里解釋道。
如何提高天氣預(yù)報的時效和準確度，一直是業(yè)內(nèi)的重點課題。隨著近年全球氣候變化加劇，極端天氣頻發(fā)，各界對天氣預(yù)報的時效和精度的期待更是與日俱增。在氣象氣候預(yù)報任務(wù)中，全球中期天氣預(yù)報是最重要的預(yù)測任務(wù)之一，同時難度也較大。由于氣象觀測的準確度、大氣系統(tǒng)中物理過程的復(fù)雜性以及求解大氣模型所需資源規(guī)模巨大，過去數(shù)十年間，全球中期天氣預(yù)報的有效性每10年才提高1天。
歐陽萬里稱，“風烏”大模型的領(lǐng)先性在于它對關(guān)鍵氣象要素的有效預(yù)報時長達到10天以上。據(jù)白磊介紹，全球范圍內(nèi)最好的物理模型HRES有效預(yù)報時長為8.5天，而“風烏”基于再分析數(shù)據(jù)達到10.75天，“可以說‘風烏’的有效預(yù)測期已經(jīng)超過了以往最好的物理模型”。
據(jù)上海AI實驗室方面介紹，“風烏”在80%的評估指標上超越谷歌旗下DeepMind發(fā)布的氣象大模型GraphCast。在預(yù)報精度方面，相比GraphCast，“風烏”的10天預(yù)報誤差降低10.87%，相比于傳統(tǒng)的物理模型，誤差降低19.4%。
可用于對極端天氣的預(yù)報
對于極端天氣，AI大模型有沒有更好的解決辦法？據(jù)《環(huán)球時報》了解，上海AI實驗室正探索運用“風烏”對臺風等極端天氣進行預(yù)報，目前已取得一定成果。在剛剛過去的2023世界人工智能大會上，白磊表示，“風烏”基于業(yè)務(wù)初始場對今年的“瑪娃”臺風進行了準確的軌跡預(yù)報。
“這就說明，雖然近年來極端天氣頻現(xiàn)，但整個大氣層的底層規(guī)律還是相似的，其中一些共性規(guī)律可以被AI發(fā)現(xiàn)并學(xué)習(xí)到。”白磊表示。不過，目前仍需要針對氣象變化的情況對模型進行微調(diào)，不斷運用更多數(shù)據(jù)提高算法的有效性，有針對性地改進模型，以進一步提高其對極端天氣的預(yù)報能力。
白磊認為，AI用于氣象預(yù)測仍有很大提升空間，“分辨率還可以提升，比如之前可以對一個區(qū)的天氣進行預(yù)測，今后希望精確到一個街道，我們目前正在朝著更精確、更精準的方向努力。”
應(yīng)用前景廣闊
據(jù)氣象專家介紹，盡管目前市面上有一些產(chǎn)品能夠提供未來15天甚至更久的氣象預(yù)報服務(wù)，但10天以上的預(yù)報性能還具有很大不確定性，無法達到有效預(yù)報的標準。實踐證明，將觀測與數(shù)值預(yù)報和人工智能相結(jié)合，可有效提升數(shù)值預(yù)報的準確性。“風烏”首次將全球氣象預(yù)報的有效性提高到10.75天，具有很大的業(yè)務(wù)應(yīng)用價值。
當問及“風烏”大模型會應(yīng)用到哪些生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)時，歐陽萬里表示除了大家平時手機上可以看到的氣象預(yù)報外，大模型還可應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)級的氣象預(yù)報，服務(wù)于農(nóng)業(yè)、海洋、電力等行業(yè)。
以電力行業(yè)為例，風力發(fā)電取決于風力大小，太陽能發(fā)電取決于陽光是否充足，而“風烏”大模型可輔助對風速、日照等進行更精準的預(yù)測。此外，氣象變化會影響電網(wǎng)的消耗以及對用電的調(diào)度，“風烏”的預(yù)測功能在其中也能起作用。
據(jù)團隊介紹，在未來，“風烏”AI氣象大模型可與傳統(tǒng)的物理模型形成互補，憑借其卓越的性能和精度，為生產(chǎn)生活提供更準確、更實用的天氣預(yù)報信息，助力天氣預(yù)報數(shù)字化，為農(nóng)林牧漁、航空航海等各行業(yè)及公共安全保障提供有力的支持。
歐陽萬里補充說，有時候氣象專家可能從兩種模型中得到不一樣的預(yù)測，所以“風烏”可以與物理模型形成互補，提供的信息越多，越有利于對氣象的準確預(yù)測。他解釋稱，比如物理模型可能會預(yù)告強降雨會發(fā)生在某兩個區(qū)，而人工智能模型預(yù)告強降雨會覆蓋第三個區(qū)域，這時候就可以擴大防災(zāi)減災(zāi)范圍。“因為相比之下防災(zāi)減災(zāi)的成本是小的，但如果沒有預(yù)防措施，損失將會很大。”
中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員馬柱國長期專注氣候變化領(lǐng)域研究，作為氣候模型專家，馬柱國深知算力、算法與信息數(shù)據(jù)處理之間的密切關(guān)系。在他看來，人工智能進入氣象預(yù)報和大氣物理應(yīng)用場景中，本質(zhì)上帶來的還是通過算力、算法對大數(shù)據(jù)等信息進行整合，對模型模式提供更多新的技術(shù)支持和方法，繼而提升預(yù)報準確性和效率，“但不能期待或簡單說人工智能將取代傳統(tǒng)的主流預(yù)測方法，至少目前尚不具備條件”。
以大家耳熟能詳?shù)男l(wèi)星云圖為例，馬柱國解釋稱，天氣預(yù)報中，衛(wèi)星監(jiān)測十分有效，能夠直觀看到云團行進軌跡和速度，一旦用數(shù)據(jù)化的模式算法取代人工直觀觀測，實質(zhì)上帶來的改變也是明顯的。
【來源：環(huán)球時報】
