自古以來，“風(fēng)云莫測”是人類對天氣最無奈的感嘆。然而，人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，讓科學(xué)家們看到更精準預(yù)測天氣與氣候的前景。

“我們期待AI模型在時間與空間分辨率方面，可以媲美乃至超越物理模型?！?0月22日，在江蘇省南京市啟幕的第36屆中國氣象學(xué)會年會上，中國科學(xué)院院士、復(fù)旦大學(xué)特聘教授穆穆作大會報告時指出，當前，天氣與氣候事件的可預(yù)測性研究，聚焦于厘清預(yù)測不確定性的原因和機制，而AI模型或?qū)⒅槐壑Α?/p>

本屆年會中，多位院士、學(xué)者圍繞人工智能時代的天氣與氣候預(yù)測、氣象領(lǐng)域高性能計算、臺風(fēng)預(yù)報新技術(shù)等前沿話題展開交流。而人工智能，是話題中的高頻詞。

多重優(yōu)勢加持，AI氣象大模型展現(xiàn)潛力

盤古、風(fēng)烏、伏羲……在我國，這些帶有中國傳統(tǒng)文化印記的AI氣象大模型，如今正在臺風(fēng)預(yù)測、短期氣候預(yù)報等領(lǐng)域，幫助人類提升對于天氣的預(yù)測精度和效率。

“使用AI技術(shù)建模預(yù)報多種天氣氣候事件已逐漸成為研究熱點?！蹦履抡J為，用氣象大模型進行可預(yù)報性研究，機遇與挑戰(zhàn)并存。

“AI氣象大模型有三大優(yōu)勢，一是計算時間更快，傳統(tǒng)的物理計算模型原本約1小時的計算量，AI幾分鐘就能計算出來;二是預(yù)報準確率更高，例如在臺風(fēng)路徑的預(yù)報中，部分大模型的預(yù)報準確率已經(jīng)比數(shù)值模式高;三是自帶優(yōu)化模塊，可以根據(jù)使用需求進行多種可預(yù)報性研究?！蹦履卤硎?，這都為大模型的應(yīng)用提供了機遇。

借助AI，科學(xué)家和氣象工作者們已經(jīng)“破譯”了不少氣候變幻的玄機。穆穆介紹，針對有“全球氣候開關(guān)”之稱的厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)現(xiàn)象，有學(xué)者基于Transformer架構(gòu)(一種深度學(xué)習(xí)模型)構(gòu)建的AI模型，預(yù)測時長已經(jīng)突破18個月，遠超傳統(tǒng)動力模型。在今年8月對大西洋颶風(fēng)的預(yù)報中，大模型與動力數(shù)值預(yù)報結(jié)果越來越相似，二者對于颶風(fēng)生成位置的判斷幾乎相同。

穆穆團隊也曾利用大模型，通過海表溫度、海上風(fēng)場的數(shù)據(jù)，找到位于太平洋中部和西太平洋的ENSO敏感區(qū)。在黑潮入侵南海的預(yù)測中，他們通過優(yōu)化大模型的模塊，找到了目標觀測敏感區(qū)。

在中國氣象局上海臺風(fēng)研究所所長余暉看來：“全球人工智能天氣預(yù)報模型的臺風(fēng)路徑預(yù)報相對于傳統(tǒng)的全球數(shù)值天氣預(yù)報模式也有明顯優(yōu)勢?！苯衲?月，該所數(shù)值預(yù)報團隊推出了基于高分辨率臺風(fēng)再分析資料訓(xùn)練的上海臺風(fēng)智能模型1.0版。該模型將臺風(fēng)的預(yù)報分辨率提高到公里級，且將預(yù)報時間從此前傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報模型的64分鐘壓縮至3分鐘。

AI與傳統(tǒng)方案融合，打破計算精度瓶頸

面對瞬息萬變的氣象，AI的預(yù)測能力也需迭代。穆穆認為，當前氣象大模型的研發(fā)，尚存兩大短板?！按竽Ｐ偷倪\算邏輯是投喂數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)，但給出的預(yù)報結(jié)果是由什么物理機制推理出的，還解釋不清。此外，大模型的時間分辨率還不夠高，例如部分大模型對臺風(fēng)數(shù)據(jù)的生成，只能6小時刷新一次，而傳統(tǒng)數(shù)值模式只需要幾分鐘?！蹦履峦瑫r舉例，在國外研究團隊進行的一次研究中，氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動的AI模型無法觀察到傳統(tǒng)數(shù)值模式中常見的“蝴蝶效應(yīng)”。穆穆分析，這應(yīng)該歸因于AI模型的時空分辨率過低和微小擾動的量級與訓(xùn)練集原本的量級不匹配。

無獨有偶，在中國工程院院士、清華大學(xué)教授鄭緯民看來，目前AI仍不能解決精確計算的問題。而AI的不完美，卻可以由高性能計算(HPC)補齊。

“新一代天氣預(yù)報應(yīng)該是HPC與AI的結(jié)合。需要借助多類型超算，將AI與傳統(tǒng)科學(xué)計算方案深度融合，打破計算精度瓶頸，以大幅提升整體計算性能?！编嵕暶裾f。

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬，被科學(xué)家用來模擬地球現(xiàn)狀，預(yù)測未來的氣候變化。鄭緯民表示，算力推動地球系統(tǒng)模擬精度演進，進行地球系統(tǒng)模擬研究，也對HPC提出更高期待。鄭緯民建議，未來，要建立異構(gòu)、眾核的超算系統(tǒng)。面對海量的計算量，千萬核并行將成為地球系統(tǒng)模擬的重要能力。同時，還需要建立高內(nèi)存、大帶寬的超算系統(tǒng)，將計算硬件與算法協(xié)同設(shè)計，讓低精度與高精度計算有效組合。