眾所周知，一到夏季，每個(gè)廣東人都在期待一場(chǎng)聽話的臺(tái)風(fēng)，比如會(huì)停工停課的那種。

臺(tái)風(fēng)當(dāng)然會(huì)按時(shí)抵達(dá)，在每個(gè)廣東人踏進(jìn)公司的那一刻。

這一點(diǎn)，登上了《自然》雜志，發(fā)表了研究成果《三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于精準(zhǔn)中期全球天氣預(yù)報(bào)》的華為云盤古氣象大模型能預(yù)料到嗎？

北京時(shí)間7月6日，《自然》雜志發(fā)表了華為云盤古大模型研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究成果——《三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于精準(zhǔn)中期全球天氣預(yù)報(bào)》。

論文顯示，盤古氣象大模型是首個(gè)精度超過傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)方法的AI模型，速度相比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)提速1萬倍以上。

意思是，傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報(bào)方法需要幾個(gè)小時(shí)甚至幾天才能完成的天氣預(yù)報(bào)，盤古大模型只需要幾秒鐘就能搞定！

這是近年來中國(guó)科技公司首篇作為唯一署名單位發(fā)表的《自然》正刊論文。《自然》評(píng)價(jià)認(rèn)為：“盤古氣象大模型讓人們重新審視氣象預(yù)報(bào)模型的未來，模型的開放將推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。”

20世紀(jì)20年代以來，特別是近30年隨著算力的迅速發(fā)展，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)在每日天氣預(yù)報(bào)、極端災(zāi)害預(yù)警、氣候變化預(yù)測(cè)等領(lǐng)域取得了巨大成功。

但是隨著算力增長(zhǎng)的趨緩和物理模型的逐漸復(fù)雜化，傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)的瓶頸日益突出，研究者們開始挖掘新的氣象預(yù)報(bào)范式如使用深度學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)未來天氣。在數(shù)值方法應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域如中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中，現(xiàn)有的AI預(yù)報(bào)方法精度仍然顯著低于數(shù)值預(yù)報(bào)方法，并受到可解釋性欠缺，極端天氣預(yù)測(cè)不準(zhǔn)等問題的制約。

盤古大模型研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，AI氣象預(yù)報(bào)模型的精度不足主要有兩個(gè)原因：

為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了【適應(yīng)地球坐標(biāo)系統(tǒng)的三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)】來處理復(fù)雜的不均勻3D氣象數(shù)據(jù)，并且使用【層次化時(shí)域聚合策略】來減少預(yù)報(bào)迭代次數(shù)，從而減少迭代誤差。

該研究訓(xùn)練了 4 個(gè)模型，分別為 1 小時(shí)間隔、3 小時(shí)間隔、6 小時(shí)間隔、24 小時(shí)間隔模型。為了深度訓(xùn)練每個(gè)模型，研究人員使用了43年 （1979-2021 年）的氣象數(shù)據(jù)，以小時(shí)為單位采樣，訓(xùn)練了 100 個(gè) epoch。盤古氣象大模型在單個(gè) GPU 上的推理成本為 1.4 秒，比 operational IFS 快 10000 倍以上，與 FourCastNet 相當(dāng)。

“我們使用了全球40年的天氣數(shù)據(jù)，用200張GPU卡進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，大概訓(xùn)練了2個(gè)月左右的時(shí)間，訓(xùn)練出了參數(shù)量達(dá)到億級(jí)的盤古氣象大模型。”華為云人工智能首席科學(xué)家田奇說。

盤古氣象大模型的水平空間分辨率達(dá)到 0.25°×0.25° （約28公里x28公里），時(shí)間分辨率為 1 小時(shí)，覆蓋 13 層垂直高度，可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)細(xì)粒度氣象特征。作為基礎(chǔ)模型，盤古氣象大模型還能夠直接應(yīng)用于多個(gè)下游場(chǎng)景。

基于這兩點(diǎn)為突破口，相較于其他的預(yù)測(cè)方式，盤古氣象大模型在高空氣象預(yù)測(cè)、地表氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)方面，誤差進(jìn)一步降低。

比如說，在同一高空變量Z500時(shí)，傳統(tǒng)數(shù)值方法，以歐洲氣象中心的operational IFS為代表，預(yù)測(cè)均方根誤差（單位：m2/s2）為152.8和333.7，盤古氣象大模型把誤差減少到134.5和296.7。

據(jù)介紹，同一預(yù)測(cè)精度下，盤古氣象大模型可以預(yù)測(cè)時(shí)間范圍可以延長(zhǎng)到36小時(shí)以上。換句話說，在高空氣象預(yù)測(cè)領(lǐng)域，盤古氣象大模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)和AI預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)誤差分別降低了10%、30%。

下圖可視化了盤古氣象大模型 3 天里的預(yù)報(bào)結(jié)果。他們研究了兩個(gè)高空變量，Z500 和 T850（850 hPa 溫度），以及兩個(gè)地表變量，2 米溫度和 10 米風(fēng)速，并將結(jié)果與 operational IFS 和 ERA5 真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示，盤古氣象大模型和 operational IFS 的結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)非常接近，但它們之間仍然存在可見的差異。盤古氣象大模型產(chǎn)生了更平滑的等值線，這意味著模型傾向于為相鄰區(qū)域預(yù)測(cè)類似的值。相比之下，operational IFS 的預(yù)測(cè)結(jié)果不太平滑，因?yàn)樗ㄟ^解決帶有初始條件的 PDE 系統(tǒng)來計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元的單個(gè)估計(jì)值，而天氣的混沌性質(zhì)和不可避免的初始條件以及子網(wǎng)格擴(kuò)展過程中的不準(zhǔn)確性都可能導(dǎo)致每個(gè)預(yù)報(bào)中的統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確。

而同一預(yù)測(cè)精度下，盤古氣象大模型能夠比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)間和AI預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，當(dāng)其他方法能夠預(yù)測(cè)三天氣象時(shí)，盤古大模型可以預(yù)測(cè)四天后甚至是五天后的氣象變化。同時(shí)，盤古氣象大模型可以更好地預(yù)測(cè)更細(xì)小的氣象特征變化，從而幫助氣象學(xué)家獲得更準(zhǔn)確的氣象結(jié)果，以及從事相關(guān)氣象研究。

今年5月，臺(tái)風(fēng)“瑪娃”走向受到廣泛關(guān)注。來自國(guó)家氣象中心的消息稱，盤古大模型在“瑪娃”的路徑預(yù)報(bào)中表現(xiàn)優(yōu)異，提前5天預(yù)報(bào)出其將在臺(tái)灣島東部海域轉(zhuǎn)向路徑。

在第19屆世界氣象大會(huì)上，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心也指出，盤古氣象大模型在精度上有不可否認(rèn)的能力，純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的AI天氣預(yù)報(bào)模型，展現(xiàn)出了可與數(shù)值模式媲美的預(yù)報(bào)實(shí)力。

截至目前，盤古氣象大模型能夠提供全球氣象秒級(jí)預(yù)報(bào)，其氣象預(yù)測(cè)結(jié)果包括位勢(shì)、濕度、風(fēng)速、溫度、海平面氣壓等，可以直接應(yīng)用于多個(gè)氣象研究細(xì)分場(chǎng)景。

研究團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合全球氣象機(jī)構(gòu)，繼續(xù)探索并發(fā)揮AI在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為農(nóng)林牧漁、航空航海等各行業(yè)提供支持。

圖文來源 | 中國(guó)青年報(bào)、界面新聞、機(jī)器之心、天方夜譚_絲路、商業(yè)小財(cái)迷