從看云識(shí)天氣到AI預(yù)測(cè)

引入：

天氣預(yù)報(bào)跟我們的生活息息相關(guān)。如果你要出門旅行，在出發(fā)之前，一定會(huì)看一眼目的地的天氣情況。

其實(shí)不光是對(duì)旅行，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，以及新興的低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，都有重大的影響。在精確預(yù)測(cè)天氣這件事情上，AI同樣可以提供幫助。

今天，我們就來(lái)聊一聊AI預(yù)測(cè)天氣這個(gè)話題。

從“看云識(shí)天氣”到數(shù)值預(yù)測(cè)：

從古至今，人們想出了許許多多預(yù)測(cè)天氣的辦法。

比如，咱們國(guó)家很早就有“朝霞不出門，晚霞行千里”“天上魚(yú)鱗斑，曬谷不用翻”之類的天氣諺語(yǔ)，這些都是古人對(duì)日常觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

但隨著社會(huì)的發(fā)展，靠這樣的方法來(lái)預(yù)測(cè)天氣已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要了。

到了19世紀(jì)中期，電報(bào)和電報(bào)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，這使得相隔很遠(yuǎn)的人們也可以快速交流天氣信息，為后來(lái)的天氣預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

在19世紀(jì)60年代，氣象站開(kāi)始出現(xiàn)，雖然早期氣象站能夠收集到的氣象數(shù)據(jù)非常有限，而且也不能對(duì)天氣做出預(yù)測(cè)，但這些記錄，同樣給后來(lái)的天氣預(yù)測(cè)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

在20世紀(jì)20年代，英國(guó)數(shù)學(xué)家劉易斯·理查森把氣象數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)方程結(jié)合起來(lái)，通過(guò)手動(dòng)計(jì)算，對(duì)慕尼黑周圍地區(qū)做了一次“天氣預(yù)報(bào)”。

雖然這次的天氣預(yù)報(bào)跟真實(shí)的天氣狀況相差十萬(wàn)八千里。但劉易斯這種用求解數(shù)學(xué)方程式的方法來(lái)預(yù)測(cè)天氣的思想特別重要，現(xiàn)代氣象預(yù)測(cè)也是基于類似的想法。

在20世紀(jì)中期之后，隨著氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)，人們能夠收集到更加精確的氣象數(shù)據(jù)，而計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，也讓大量的數(shù)據(jù)計(jì)算成為可能。

科學(xué)家們得以用大量的方程，構(gòu)建起一個(gè)復(fù)雜的天氣模型。這個(gè)模型能夠根據(jù)輸入的氣象條件，模擬未來(lái)的天氣狀況。

但是，真實(shí)的天氣系統(tǒng)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，人類構(gòu)建的模型很難完美還原。另外，也因?yàn)樘鞖饽Ｐ蜆O其復(fù)雜，每進(jìn)行一次運(yùn)算，都需要耗費(fèi)大量的算力和時(shí)間。

AI為什么適合做天氣預(yù)測(cè)？

那在天氣預(yù)測(cè)領(lǐng)域，AI為什么能提供幫助呢？

AI領(lǐng)域中的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，核心就是讓計(jì)算機(jī)從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，尋找潛在的模式和規(guī)律，并做出預(yù)測(cè)。

另外，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間的差異不斷調(diào)整優(yōu)化，讓模型做出的預(yù)測(cè)越來(lái)越準(zhǔn)確。

在天氣預(yù)測(cè)領(lǐng)域，最不缺的就是數(shù)據(jù)。

人類的氣象站、氣象衛(wèi)星每時(shí)每刻都在收集大量的氣象數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，恰好可以用于AI的機(jī)器學(xué)習(xí)。

比如人們經(jīng)常用到的ERA5數(shù)據(jù)集，這個(gè)數(shù)據(jù)集覆蓋了1940年1月到現(xiàn)在的大量氣象數(shù)據(jù)。并且有全球大氣、陸地、海洋氣象數(shù)據(jù)的每小時(shí)估計(jì)值。

這些高質(zhì)量的氣象數(shù)據(jù)，為AI模型的訓(xùn)練和調(diào)試提供了保障。

利用ERA5數(shù)據(jù)集，我們國(guó)家的科技公司在2022年完成了對(duì)“盤古”氣象大模型的訓(xùn)練。

“盤古”氣象模型對(duì)天氣預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度非常高，超過(guò)了目前世界上最好的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)——?dú)W洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，并且預(yù)測(cè)速度快1萬(wàn)倍以上。

而且在預(yù)測(cè)極端天氣以及在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)上，“盤古”的表現(xiàn)也比歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的表現(xiàn)更加突出。

AI+物理模型

當(dāng)然了，用AI模型預(yù)測(cè)天氣也存在一些問(wèn)題。

比如，AI模型的訓(xùn)練是基于氣象數(shù)據(jù)的，它的訓(xùn)練過(guò)程是一個(gè)“黑箱”，雖然它能夠給出比較精確的預(yù)測(cè)，但并不能解釋它為什么做出這樣的預(yù)測(cè)的。

另外，天氣是一個(gè)復(fù)雜的混沌系統(tǒng)，初始條件的微弱差異會(huì)導(dǎo)致截然不同的預(yù)測(cè)結(jié)果，這也使得長(zhǎng)期的天氣預(yù)報(bào)非常困難。

因此，氣象科學(xué)家們也想到了將AI預(yù)測(cè)模型和傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)測(cè)模型相結(jié)合。

在2024年，中國(guó)氣象局聯(lián)合清華大學(xué)發(fā)布了“風(fēng)清”和“風(fēng)雷”氣象大模型系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)都結(jié)合了AI模型和數(shù)值模型，用這種方式提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

而前面提到的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，也引入了AI模型，來(lái)輔助修正數(shù)值模型給出的預(yù)測(cè)結(jié)果。

總結(jié)和展望

目前，AI在預(yù)測(cè)天氣這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力。

相信隨著AI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類能夠更好地預(yù)測(cè)未來(lái)天氣，進(jìn)而更有針對(duì)性地調(diào)整生產(chǎn)生活節(jié)奏，提高農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)把極端天氣可能帶來(lái)的損失降到最低。

作者：云紀(jì)御 科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)

審核：秦曾昌 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 副教授

文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。