天氣預(yù)報(bào)不“騙人”！6個(gè)問題快速了解AI氣象大模型

2024年2月29日，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展，其中，“人工智能大模型為精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)帶來新突破”位列第一。過去的一年，氣象大模型迅速發(fā)展，華為盤古大模型在氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域成果斐然，谷歌DeepMind團(tuán)隊(duì)也推出氣象大模型GraphCast。氣象部門通過衛(wèi)星云圖、雷達(dá)監(jiān)測、數(shù)值模擬等多種手段，實(shí)時(shí)捕捉云層動(dòng)態(tài)、降水分布等關(guān)鍵信息，為氣象預(yù)報(bào)提供豐富的數(shù)據(jù)支持。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息和人工智能的超強(qiáng)算力，是精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)取得新突破的關(guān)鍵。

Q1：AI大模型天氣預(yù)報(bào)的優(yōu)勢是什么

AI大模型解決了傳統(tǒng)數(shù)值模型在計(jì)算方面的限制。與傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式通過數(shù)值求解數(shù)學(xué)物理方程的方式不同，AI氣象大模型是基于深度學(xué)習(xí)的方法，對(duì)歷史氣象大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)并建立模型。一旦完成訓(xùn)練，這些大模型就可以開展未來天氣預(yù)報(bào)工作。

相比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式，AI大模型的運(yùn)行速度非常快，例如華為盤古氣象大模型就比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式快1萬倍。更令人驚訝的是，這些模型甚至可以在個(gè)人電腦上運(yùn)行，只需要幾分鐘就能給出未來7～ 10天的預(yù)報(bào)結(jié)果。

除此之外，這些模型預(yù)報(bào)效果在某些方面接近甚至超過傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式。例如，對(duì)于臨近期預(yù)報(bào)，人工智能可以快速處理、分析大量的即時(shí)觀測數(shù)據(jù)，提高時(shí)效性。同時(shí)，AI氣象大模型還可以實(shí)現(xiàn)自我迭代，學(xué)習(xí)以往案例作為經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測當(dāng)前的狀況，因此其準(zhǔn)確性比人工和傳統(tǒng)方法都高。

Q2：傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)是怎么做的

傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)主要依靠數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。該模式基于流體力學(xué)和熱力學(xué)的物理規(guī)律來構(gòu)建控制大氣運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程，并用超級(jí)計(jì)算機(jī)求解這些方程，進(jìn)而預(yù)測未來7～ 10天的天氣狀況。在數(shù)值模型中輸入氣象初始場，模型就會(huì)一步步計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻的氣象場。這些模式一般都附帶觀測資料的同化系統(tǒng)，將各種觀測數(shù)據(jù)（包括地面觀測、衛(wèi)星、雷達(dá)等）融合到模式數(shù)值方程的求解中，進(jìn)一步提升模式預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)度。

Q3：精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)有哪些衡量指標(biāo)

精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)指的是利用先進(jìn)的技術(shù)和方法，盡可能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)未來一段時(shí)間內(nèi)的天氣狀況，包括氣象要素場、降水、極端事件預(yù)報(bào)等多個(gè)方面。預(yù)測系統(tǒng)，包括數(shù)值預(yù)報(bào)模式，會(huì)給出某一時(shí)刻大氣變量在三維空間上的分布（如風(fēng)場、溫度場、濕度場、氣壓場等），一般用這些預(yù)報(bào)場和實(shí)際觀測（包括地面站點(diǎn)、探空、遙感探測等）的變量相比較，兩者的相關(guān)系數(shù)越大，則天氣預(yù)測越準(zhǔn)確。比如，臺(tái)風(fēng)預(yù)測會(huì)重點(diǎn)關(guān)注臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度，暴雨預(yù)測則關(guān)注雨水的落區(qū)和強(qiáng)度，這些也是天氣預(yù)報(bào)的基本要求。

Q4：精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)難點(diǎn)在哪兒

AI大模型出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)的一大難點(diǎn)在于數(shù)值預(yù)報(bào)模型建模過程的復(fù)雜度高。盡管數(shù)值預(yù)報(bào)模型是基于復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理規(guī)律構(gòu)建的，但影響大氣系統(tǒng)的過程更加復(fù)雜，包含了許多物理和化學(xué)過程，跨越不同時(shí)間和空間尺度。如何在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中準(zhǔn)確模擬這些復(fù)雜過程，一直是數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展的挑戰(zhàn)。

另一大難點(diǎn)則是計(jì)算資源有限。因?yàn)閿?shù)值預(yù)報(bào)模式復(fù)雜度高，所以需要大量的計(jì)算資源，尤其是在進(jìn)行高分辨率和全球范圍天氣預(yù)報(bào)時(shí)，需要的計(jì)算資源就更多了。然而，相對(duì)有限的計(jì)算資源，限制了模型分辨率的提高和更頻繁的模型運(yùn)行，從而影響了預(yù)報(bào)的詳細(xì)程度和及時(shí)性。

Q5：氣象領(lǐng)域的AI大模型為什么能取得突破性進(jìn)展

氣象領(lǐng)域的AI大模型之所以能取得突破性進(jìn)展，很重要的原因之一就是氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常高。例如，盤古氣象大模型就是應(yīng)用過去43年的歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的。這些氣象數(shù)據(jù)是基于數(shù)值模式的結(jié)果，并融合觀測數(shù)據(jù)獲得的，經(jīng)過多年的發(fā)展和驗(yàn)證，數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，是大氣學(xué)科領(lǐng)域開展科學(xué)研究和應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)集，現(xiàn)在被進(jìn)一步用到了AI氣象大模型的訓(xùn)練中。這些數(shù)據(jù)能更準(zhǔn)確地捕捉大氣過程，目前的預(yù)測精度也相當(dāng)可觀。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)也是大氣和氣象行業(yè)引以為傲的地方，國家也倡導(dǎo)更好地開源，數(shù)據(jù)廣泛地共享能夠進(jìn)一步推動(dòng)大模型的發(fā)展。

Q6：AI大模型有可能取代數(shù)值預(yù)報(bào)模式嗎

目前的AI大模型還無法完全取代數(shù)值預(yù)報(bào)模式。當(dāng)下的氣象大模型尚缺乏直接同化觀測數(shù)據(jù)到AI大模型的能力，同時(shí)大模型的訓(xùn)練也需要大量計(jì)算資源，隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)集參數(shù)的大幅度提升，AI大模型訓(xùn)練時(shí)的算力也會(huì)成為一種制約。但總體來說，AI大模型將會(huì)在氣象行業(yè)得到越來越廣泛的使用，中國氣象局也在出臺(tái)相關(guān)舉措，推動(dòng)人工智能賦能氣象高質(zhì)量發(fā)展。

（以上內(nèi)容基于對(duì)南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院汪名懷教授采訪后整理所得）

（責(zé)任編輯：汪金寧）