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      中國氣象局地球系統數值預報中心探索人工智能深度融合應用
      當人工智能用于數值預報,會帶來哪些改變?

      發布時間:2024年04月24日 來源:中國氣象報社

      天氣狀況瞬息萬變,令人難以捉摸。最大程度地精準預報天氣、預測氣候一直是人們的不懈追求。數值預報的誕生給天氣預報領域帶來跨越式發展,它根據大氣實際情況,在一定初值和邊值條件下,通過超級計算機求解描述天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組,進而預判未來一定時段的大氣運動狀態。隨著智能化時代到來,人工智能(AI)技術的身影在各領域日漸活躍。當AI融入數值預報,會帶來哪些變化?

      AI融入,形成數值預報的有力補充

      AI被認為是引領新一輪科技革命和產業變革的戰略性技術,已經融入到經濟社會的方方面面。數值預報和AI有著天然的耦合關系,人工智能天生就是處理大數據的工具,可以利用知識經驗提高計算速度和提升預報精度,還可以“模擬”數值模式中無法精確描述的部分物理過程??梢哉f,在氣象預報方法上,人工智能技術可以成為數值預報的有力補充。

      2020年,中國氣象局地球系統數值預報中心(以下簡稱“數值預報中心”)將AI技術引入到數值模式的后處理中,進行偏差訂正?!叭斯ぶ悄茴A報技術在北京冬奧會氣象服務保障中獲得應用,通過對海量的數值天氣預報模型預報數據和大量的氣象觀測數據進行‘再解讀’,從而實現客觀氣象預報的‘再訂正’,冬奧氣象預報的精準度有了較大提升?!睌抵殿A報中心計算技術室高級工程師井浩解釋。

      目前,數值預報中心已經在資料同化、模式物理過程參數化方案、觀測算子、衛星圖像云檢測、模式產品后處理、集合預報等業務全鏈條中開展了人工智能應用研究?!安贿^,從研發到真正的業務應用,AI與數值預報深度融合任重而道遠?!本浦赋?,“目前,AI在數值預報中的作用主要是進行模塊上的替代,而業務數值預報系統必須及時提供預報產品,對穩定性要求極高,突然加入AI模塊可能導致預報系統運行穩定性下降,因此還要進行長久攻關?!绷硗?,數值模式與AI技術屬于兩套編程語言,“這就好比一個人說英語,一個人說漢語,彼此之間沒有可用的翻譯軟件,所以‘對話’困難重重?!本票扔?,“這就需要盡快引入高性能中間件對它們的底層語言進行翻譯與融合?!?/p>

      自2023年起,數值預報中心通過自身發力和對外合作,建立了基于AI的集合同化框架,目前正在測試階段;在數值模式方面,對于輻射等復雜的物理過程模塊,通過人工智能算法進行替換,以提高模式的計算效率及預報的時效性。此外,研發了基于生成式模型的超分辨率預報模型?!跋嘈烹S著數值模式本身的進步和AI的融合應用,未來的預報將更加精準和高效?!本迫缡钦f。

      AI出手,能否帶來氣候預測新突破?

      目前,氣候系統模式是對氣候和氣候變化進行預測的一個重要工具。

      而由于人類對復雜氣候系統認識和技術條件的局限性,氣候系統模式的不確定性將長期存在,其發展要仰賴氣候科學的發展以及更高的計算效率?!癆I有較為強大的能力,可以從大數據當中找尋規律,增強我們對大氣中某些現象的預測能力。比如對于高溫熱浪、極端降水等氣象災害,我們采用傳統的數理方程或統計方法進行預測,但積累了大量的數據之后,還可以通過AI進行數據分析、推理和預測,充分發揮AI非線性擬合的能力,在傳統數理方法的基礎上進一步提高預測的準確性,未來還可能發現某些規律并給傳統數理方法提供改進線索?!睌抵殿A報中心科技業務處處長孫健表示。

      理論驅動和數據驅動這兩種不同的科學范式具有互補性,傳統數學物理模型和人工智能模型的深度結合是氣候系統模式發展的前沿方向。目前,數值預報中心利用AI技術創新氣候系統模式發展,實現了基于AI算法的次網格物理過程方案在全球氣候模擬中的融合應用,并成功進行了長期穩定積分,合理再現了平均氣候態特征,以及關鍵氣候變率的動力過程?!皻W美等國際主要數值模式研發機構正在試圖利用AI技術突破地球系統數值預報。我們研發的下一代模式,也一定是融合了AI的新型地球系統模式?!睌抵殿A報中心耦合模式室主任路屹雄表示。

      盡管機器學習等AI技術在氣候系統模式中的應用尚處于起步階段,但其在發現海量數據集中存在的復雜非線性關系方面的強大表現,對于研發地球系統模式至關重要。隨著人工智能和物理建模相結合,氣候和地球系統模式將得到改進。目前,美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)已經開始用機器學習來替換氣候模式中的部分模塊;歐洲中期天氣預報中心人工智能技術已覆蓋數值天氣預報業務的全流程,滲入到預報中的各個環節。

      融合了AI的模式能進一步加速氣候預測的精細化程度,其在強風暴預警、極端氣候預測等方面潛力巨大。不過,也應該清醒地認識到,地球系統龐大復雜,讓人工智能“看懂”地球風云還有很長的路要走。所以,在相當長的時間內,AI還是會以輔助的姿態與傳統的數值模式相結合,幫助人類在應對天氣氣候影響時拿出更優的決策方案。

      新質生產力開辟發展新領域新賽道、塑造發展新動能新優勢。向新領域和新發展謀突破勢在必行?!叭斯ぶ悄茉跉庀笮袠I中的應用剛起步,應用場景未來還有很多,數值預報中心將把握科技革命潮流,推動人工智能與數值預報深度融合,把其變成模式發展的新質生產力,提高數值預報系統的精度和速度,助力打贏地球系統數值模式的關鍵核心技術攻堅戰?!睂O健表示。

      (作者:唐淼?責任編輯:張林)

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