AI重構(gòu)天氣預(yù)報(bào)新圖景
寧若楊
2025年05月06日 01:25
楊絢 曹勇
《光明日?qǐng)?bào)》（ 2025年03月27日 16版）今春氣溫起伏頗大，剛還有人說(shuō)“一天入夏”，馬上寒流又來(lái)了。蓬勃發(fā)展的AI，對(duì)天氣預(yù)報(bào)有沒有用？
長(zhǎng)期以來(lái)，天氣預(yù)報(bào)主要依賴于傳統(tǒng)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型。隨著AI技術(shù)的突破，氣象領(lǐng)域開始應(yīng)用AI技術(shù)提高天氣預(yù)報(bào)以及氣候預(yù)測(cè)水平。2023年，《科學(xué)》雜志將“AI輔助天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展”評(píng)為世界科學(xué)十大進(jìn)展，同年我國(guó)主導(dǎo)的AI大模型在精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，更被評(píng)為中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展之首。這些里程碑既展現(xiàn)了大氣科學(xué)與AI融合的潛力，也為應(yīng)對(duì)極端天氣和防災(zāi)減災(zāi)創(chuàng)造了新機(jī)遇。
應(yīng)該說(shuō)，全球氣象領(lǐng)域正經(jīng)歷由AI驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)模式并行的新格局。得益于大氣科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)異、規(guī)模龐大且持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的特點(diǎn)，天氣預(yù)報(bào)已將AI技術(shù)視為新質(zhì)生產(chǎn)力。自2022年起，英偉達(dá)、谷歌、微軟等AI領(lǐng)軍企業(yè)相繼推出FourCastNet、GraphCast、NeuralGCM、GenCast等氣象AI大模型，并在《自然》《科學(xué)》等頂級(jí)期刊發(fā)表成果，推動(dòng)了AI技術(shù)在氣象領(lǐng)域的快速發(fā)展。
我國(guó)在AI技術(shù)應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)方面，已躋身國(guó)際第一方陣。2024年，中國(guó)氣象局啟動(dòng)了氣象人工智能科技創(chuàng)新工程，組建了“雄安氣象人工智能創(chuàng)新研究院”，并與清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)及上?？茖W(xué)智能研究院聯(lián)合發(fā)布“風(fēng)清”“風(fēng)雷”“風(fēng)順”三大AI系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)未來(lái)0～60天自主可控的無(wú)縫隙智能氣象預(yù)報(bào)，標(biāo)志著中國(guó)AI技術(shù)在天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用一體化方面取得顯著成果。
面向極端強(qiáng)降水天氣，“風(fēng)雷”系統(tǒng)首創(chuàng)物理引導(dǎo)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)混合架構(gòu)，能夠提供1公里分辨率，未來(lái)3小時(shí)短臨強(qiáng)降水預(yù)報(bào)，該系統(tǒng)在國(guó)家氣象中心強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)中心應(yīng)用?！帮L(fēng)清”大模型是融合AI技術(shù)與氣象機(jī)理的全球中短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其性能位于全球AI天氣預(yù)報(bào)大模型第一梯隊(duì)，“風(fēng)清”系統(tǒng)以3分鐘生成未來(lái)15天全球預(yù)報(bào)的速度，將核心要素有效預(yù)報(bào)時(shí)效提升至10.5天，在臺(tái)風(fēng)路徑、暴雨、高溫、寒潮等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。
同年，中國(guó)氣象局組織開展了人工智能天氣預(yù)報(bào)大模型示范計(jì)劃（下文簡(jiǎn)稱“預(yù)報(bào)示范計(jì)劃”，AIM-FDP），該計(jì)劃面向全社會(huì)廣泛征集天氣預(yù)報(bào)大模型，實(shí)現(xiàn)模型-數(shù)據(jù)產(chǎn)品-評(píng)估全鏈條銜接，旨在打造權(quán)威天氣預(yù)報(bào)大模型檢驗(yàn)評(píng)估平臺(tái)。其中，“風(fēng)清”大模型在預(yù)報(bào)示范計(jì)劃中排名前列。
在防災(zāi)減災(zāi)實(shí)戰(zhàn)中，AI技術(shù)正轉(zhuǎn)化為守護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全的利器。2024年第3號(hào)臺(tái)風(fēng)“格美”的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)成為典型案例——“風(fēng)清”大模型提前5天鎖定臺(tái)風(fēng)登陸路徑，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出橫跨華南、華東、東北三大區(qū)域的弧狀暴雨帶。2024年我國(guó)共出現(xiàn)41次大范圍降水過(guò)程，其中18次強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)等級(jí)，4次達(dá)到特強(qiáng)等級(jí)，其中一次特強(qiáng)等級(jí)暴雨過(guò)程就是臺(tái)風(fēng)“格美”帶來(lái)的?！案衩馈迸_(tái)風(fēng)引發(fā)的跨區(qū)域強(qiáng)降雨中，“風(fēng)清”大模型不僅準(zhǔn)確捕捉廣東、湖南等核心降雨區(qū)，還對(duì)山東、遼寧等外圍暴雨中心實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為臺(tái)風(fēng)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)爭(zhēng)取到關(guān)鍵決策窗口。
人工智能的快速發(fā)展為突破現(xiàn)有天氣預(yù)報(bào)瓶頸提供了新的契機(jī)，但前沿的基礎(chǔ)科技仍面臨挑戰(zhàn)。
當(dāng)前AI氣象模型面臨雙重挑戰(zhàn)：一是物理可解釋性困局，現(xiàn)有“黑箱”架構(gòu)難以揭示大氣系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理，模型對(duì)參數(shù)調(diào)整的敏感性可能引發(fā)預(yù)報(bào)偏差。這是由于現(xiàn)有的AI模型框架尚未充分適應(yīng)大氣科學(xué)的時(shí)空復(fù)雜性特征，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大氣系統(tǒng)的物理行為。二是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天然局限，極端天氣事件本身具有小概率特性，其樣本的稀缺直接導(dǎo)致模型對(duì)極端等災(zāi)害性天氣的捕捉能力不足。
為進(jìn)一步推動(dòng)大氣科學(xué)領(lǐng)域的AI應(yīng)用發(fā)展，需以專項(xiàng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集構(gòu)建為基礎(chǔ)，強(qiáng)化算力支撐能力建設(shè)，并著力打造從觀測(cè)端到預(yù)報(bào)端的一體化AI支撐平臺(tái)。依托智算資源，構(gòu)建既能解析大氣物理規(guī)律、又能適應(yīng)復(fù)雜時(shí)空特征的新型預(yù)報(bào)體系。這種技術(shù)融合范式，或?qū)⒋呱髿饪茖W(xué)理論的新突破，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)天氣，尤其是災(zāi)害性天氣開辟新的認(rèn)知路徑。
（作者：楊絢、曹勇，分別系國(guó)家氣象中心天氣預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)室正高級(jí)工程師；主任）