人工智能重塑氣象預(yù)報領(lǐng)域：降本提效之余，更解鎖全球普惠新可能

圍繞人工智能的討論從未停歇—— 從科技廠商與企業(yè)的巨額投入、AI 實際投資回報率的行業(yè)爭論，到該技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)安全、就業(yè)市場的影響，再到人們對虛假信息泛濫及信任危機的擔(dān)憂，種種熱議之下，人們很容易忽略人工智能在特定行業(yè)的實際應(yīng)用價值。

醫(yī)療健康與生命科學(xué)、制造業(yè)、金融服務(wù)、零售電商等數(shù)據(jù)密集型行業(yè)均在 AI 的賦能之列，氣象預(yù)報領(lǐng)域亦是如此。如今，伴隨 AI 智能體的融入，這項技術(shù)在氣象預(yù)報領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，正取得重大突破，也推動著全球相關(guān)市場的擴張。有觀察人士預(yù)測，該市場規(guī)模將從兩年前的 1.657 億美元，增長至 2033 年的 9.263 億美元。

當前主流的氣象預(yù)報方法是一套名為數(shù)值天氣預(yù)報的三步流程：氣象學(xué)家從氣象站、探空氣球、船舶和飛機等多渠道收集數(shù)據(jù)，將其輸入復(fù)雜的大氣數(shù)值計算模型，再對結(jié)果進行后期處理—— 比如提升空間分辨率、融入氣象預(yù)報員的人工研判結(jié)果。

英國圖靈研究所的研究人員去年曾撰文指出：“這一流程需要巨型超級計算機、復(fù)雜的配套軟件和龐大的技術(shù)支持團隊?！?不僅成本高昂，還會耗費大量的能源與時間。

如今，眾多企業(yè)紛紛布局 AI 氣象預(yù)報領(lǐng)域：既有谷歌及其旗下Deepmind團隊（推出 GenCast、WeatherNext2 系列模型）、微軟（推出 Aurora 模型）這樣的科技巨頭，也有氣象公司（推出 GRAF 模型）這類專業(yè)機構(gòu)，還有圖靈研究所（推出 Aardvark 氣象預(yù)報技術(shù)）等小型 AI 專精企業(yè)。

依托持續(xù)迭代的 AI 模型與工具，曾高度依賴巨型超級計算機和大批專業(yè)人員的氣象預(yù)報工作，如今在筆記本電腦這樣的小型設(shè)備上就能完成。這不僅大幅降低了預(yù)報成本，也讓此前不具備技術(shù)和資金條件的國家，得以開展本土化的氣象預(yù)報工作。

英偉達氣候模擬研究主管、加州大學(xué)歐文分校地球系統(tǒng)科學(xué)教授邁克?普里查德在一場媒體發(fā)布會中表示：“氣象預(yù)報的重要性不言而喻。氣候變化引發(fā)的極端天氣愈演愈烈，對我們所有人、現(xiàn)代生活的幾乎方方面面都產(chǎn)生了深遠影響。氣象預(yù)報與每個人息息相關(guān)，它能推動農(nóng)業(yè)、能源、航空業(yè)發(fā)展，還能為應(yīng)急響應(yīng)工作提供關(guān)鍵支撐。而氣象預(yù)報的技術(shù)體系正迎來變革，人工智能在這一領(lǐng)域掀起了一場科學(xué)革命，解鎖了諸多此前被認為難以實現(xiàn)的預(yù)報能力?！?/p>

極端天氣造成數(shù)萬億美元經(jīng)濟損失

惡劣天氣引發(fā)的災(zāi)害，帶來了巨額的經(jīng)濟損失。2024 年，美國共發(fā)生 27 起重大極端天氣事件，總損失高達 1827 億美元；2015 至 2024 年十年間，相關(guān)損失累計更是突破 1.4 萬億美元（原文 20125 為筆誤，應(yīng)為 2015）。

英偉達深耕 AI 氣象研究與預(yù)報領(lǐng)域，也就不足為奇了。2024 年，英偉達推出地球二號（Earth-2）氣候數(shù)字孿生平臺，該平臺的核心目標是大幅提升全球氣象與氣候模擬、可視化的規(guī)模和效率。普里查德介紹，這一平臺“內(nèi)置多款模型，可實現(xiàn)氣象預(yù)報、降尺度處理（將低分辨率預(yù)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為高分辨率）、生成可落地的預(yù)測結(jié)論，還配備了用于評估預(yù)報精度和能力的工具”。

平臺所集成的第三方模型，均來自歐洲中期天氣預(yù)報中心、微軟等機構(gòu)和企業(yè)。

其中包括 FourCastNet、CorrDiff 兩款經(jīng)典模型，還有其他廠商研發(fā)的模型 —— 這些模型均部署在英偉達的 Earth2Studio 工具包中。這一基于 Python 的工具包，能為開發(fā)者提供支撐，使其可為地球二號平臺開發(fā)專屬模型和應(yīng)用。

開源預(yù)報模型與全新技術(shù)架構(gòu)

近日，在美國休斯敦舉辦的美國氣象學(xué)會年會上，英偉達發(fā)布了一套開源的 AI 氣象預(yù)報模型與工具，其中包含預(yù)訓(xùn)練模型、開發(fā)框架和推理庫。此舉旨在為開發(fā)者提供更多選擇，方便其對接地球二號平臺，也能助力開發(fā)者為自有基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)氣象預(yù)報工具。英偉達的核心目標是，研發(fā)出能提升氣象預(yù)報速度、同時降低成本的技術(shù)，讓更多國家和地區(qū)有能力開展自主氣象預(yù)報工作。

談及此次開源舉措的初衷，普里查德表示：“我們并非要強迫開發(fā)者遵循某種固定的開發(fā)模式，而是打造能讓大家各展所長的工具，讓開發(fā)者對自身系統(tǒng)擁有最大的控制權(quán)。因為對于部分用戶而言，訂閱企業(yè)級的中心化氣象預(yù)報系統(tǒng)是最優(yōu)選擇；但對于國家這類主體來說，氣象預(yù)報的主權(quán)至關(guān)重要?！?/p>

英偉達此次推出了三款全新的氣象預(yù)報模型，其中地球二號中期預(yù)報模型基于名為 Atlas 的全新架構(gòu)打造，專為中期氣象預(yù)報設(shè)計，預(yù)報時效最長可達 15 天。該模型可接收并處理氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度等 70 余種氣象要素數(shù)據(jù)，普里查德稱，在所有氣象要素的預(yù)報精度上，這款新模型均優(yōu)于谷歌的開源中期預(yù)報模型 GenCast。

普里查德評價 Atlas 架構(gòu)時表示：“從理念和科學(xué)層面來看，這是一種向簡潔性的回歸。我們摒棄了為特定場景量身定制的小眾 AI 架構(gòu)，擁抱簡潔、可擴展的 Transformer 架構(gòu)的未來。這一架構(gòu)已在藥物研發(fā)、自動駕駛和機器人領(lǐng)域取得顛覆性成果，而此次實踐也證明，這套兼具高性能和成熟工程化工具鏈的技術(shù)體系，同樣能在氣象預(yù)報領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)頂尖的預(yù)報效果。”

另一款地球二號臨近預(yù)報模型基于 StormScope 全新架構(gòu)打造，預(yù)報范圍更聚焦，可實現(xiàn)千米級分辨率的預(yù)報，能對當?shù)貜妼α魈鞖饧捌渌鞖庀到y(tǒng)做出 0 至 6 小時的短時預(yù)報，且整個預(yù)報過程可在數(shù)分鐘內(nèi)完成。普里查德介紹，該模型依托生成式 AI 和 Transformer 架構(gòu)，可生成 “國家級尺度” 的預(yù)報結(jié)果；而這 6 小時的預(yù)報窗口，對于發(fā)布氣象預(yù)警的機構(gòu)、調(diào)配應(yīng)急資源的救援人員而言，是開展本地天氣決策的關(guān)鍵窗口期。

該模型直接基于觀測數(shù)據(jù)模擬風(fēng)暴的動態(tài)變化，在短時降水預(yù)報方面，精度遠超傳統(tǒng)的基于物理原理的天氣預(yù)報方法。

普里查德強調(diào)：“這款模型的核心優(yōu)勢在于，其訓(xùn)練數(shù)據(jù)直接來源于全球可獲取的靜止氣象衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，而非特定區(qū)域的物理模型輸出結(jié)果。這意味著，只要是衛(wèi)星覆蓋良好的地區(qū)，這套臨近預(yù)報方案都能適配落地。任何國家都能依托它打造自主可控、高分辨率的強對流天氣預(yù)報體系，無需依賴成本高昂的本地數(shù)據(jù)檔案庫。”

數(shù)據(jù)同化是核心關(guān)鍵技術(shù)

第三款地球二號全球數(shù)據(jù)同化模型，則基于 HealDA 全新架構(gòu)打造，其核心作用是生成氣象預(yù)報的初始場條件。簡單來說，該模型能為全球數(shù)千個點位生成當前的大氣狀態(tài)快照，精準捕捉氣溫、風(fēng)速、濕度、氣壓等要素數(shù)據(jù)，即便是衛(wèi)星直接觀測盲區(qū)的區(qū)域，也能完成數(shù)據(jù)補全。普里查德表示，依托 GPU 算力，該模型完成全部數(shù)據(jù)同化工作僅需數(shù)分鐘，而傳統(tǒng)超級計算機則需要耗費數(shù)小時。

他認為，這一技術(shù)突破具有里程碑意義：“過去五年，人工智能領(lǐng)域和科研界的研究重心大多放在預(yù)報模型上，而數(shù)據(jù)同化這一狀態(tài)估計任務(wù)，始終未能通過 AI 技術(shù)得到有效解決。但在傳統(tǒng)氣象預(yù)報體系中，這一環(huán)節(jié)所消耗的超級計算資源，約占總算力的 50%?！?/p>

目前，英偉達地球二號平臺已匯聚多款 AI 氣象預(yù)報模型與工具，可同時服務(wù)于商業(yè)和非商業(yè)場景，相關(guān)資源均在 GitHub 和 Hugging Face 平臺開源。英偉達還透露，已有多家機構(gòu)開始使用或測試該平臺的產(chǎn)品：以色列氣象局正在應(yīng)用 CorrDiff 模型開展預(yù)報工作，氣象公司對臨近預(yù)報模型進行效果驗證，標普全球能源等金融服務(wù)企業(yè)則借助 CorrDiff 模型開展氣候相關(guān)的風(fēng)險評估。

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