單卡30秒預測未來10天全球天氣 大模型“風烏”效果超DeepMind

預測未來10天全球天氣，僅需30秒。

這一成果來自全球中期天氣預報大模型“風烏”，這也是全球氣象有效預報時間首次突破10天，并在80%的評估指標上超越DeepMind發(fā)布的模型GraphCast。

“風烏”基于多模態(tài)和多任務深度學習方法構(gòu)建，由上海人工智能實驗室聯(lián)合中國科學技術(shù)大學、上海交通大學、南京信息工程大學、中國科學院大氣物理研究所及上海中心氣象臺發(fā)布。

實驗室領(lǐng)軍科學家歐陽萬里表示：

“風烏”取名自秦漢時期的“相風銅烏”，是世界上最早的測風設備。天氣預報大模型‘風烏’不僅承載了中國古人的智慧，也寓意實驗室致力于在以氣象為代表的AI for Science領(lǐng)域勇于突破、不懈探索。

AI大模型預報全球天氣

隨著全球氣候變化加劇，極端天氣頻發(fā)，各界對天氣預報的時效和精度的期待與日俱增。

過去數(shù)十年間，全球中期天氣預報領(lǐng)域取得眾多矚目成就，但囿于氣象觀測的準確度，大氣系統(tǒng)中物理過程的復雜性，以及求解大氣模型所需資源規(guī)模巨大，全球中期天氣預報的有效性每10年才提高1天，難以滿足社會和經(jīng)濟的發(fā)展需求。

“風烏”提供了一個強大有效的全球中期天氣預報的AI框架，在預報精度、預報時效和資源效率三方面都領(lǐng)先。

在預報精度方面，相比DeepMind的GraphCast，“風烏”的10天預報誤差降低10.87%，而相比于傳統(tǒng)的物理模型，其誤差降低19.4%。

在預報時效方面，根據(jù)國際常用的標準，z500 ACC大于0.6時氣象預報結(jié)果具有可用性，可以較好地指導預報員判斷未來氣象發(fā)展形勢。

此前，全球范圍內(nèi)最好的物理模型HRES在此標準范圍內(nèi)，有效預報時長最大為8.5天，而“風烏”基于再分析數(shù)據(jù)達到了10.75天。

在資源效率方面，現(xiàn)有物理模型往往運行在超級計算機上，而“風烏”AI大模型僅需單GPU便可運行，僅需30秒即可生成未來10天全球高精度預報結(jié)果。

據(jù)氣象專家介紹，盡管目前市面上有一些產(chǎn)品提供未來15天的氣象預報服務，但是10天以上的預報性能還具有很大不確定性，無法達到有效預報的標準。

實踐證明，將觀測與數(shù)值預報和人工智能相結(jié)合，可有效提升數(shù)值預報的準確性。“風烏”首次將全球氣象預報的有效性提高到10.75天，具有很大的業(yè)務應用價值。

多模態(tài)和多任務：深度學習驅(qū)動地球科學

上海人工智能實驗室AI for Earth聯(lián)合團隊提出了一種基于多模態(tài)多任務的深度學習方法用于構(gòu)建AI天氣預報模型，從而實現(xiàn)對全球中期天氣進行快速、準確預報。

由于不需要通過復雜的物理系統(tǒng)仿真，AI氣象預報模型突破了傳統(tǒng)預報方法的計算瓶頸，因此能夠高效地進行預報和集成。同時AI對氣象數(shù)據(jù)關(guān)系的強大擬合能力使其有潛力突破傳統(tǒng)數(shù)值模式預報中的性能瓶頸。

在AI模型的設計和訓練過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在學習過程中，多個大氣變量在優(yōu)化中存在相互影響且可以看作多任務學習問題；大氣數(shù)據(jù)具有高分辨率高維度大體量的特征，導致模型多步天氣預測結(jié)果難以直接被優(yōu)化。

“風烏”采用多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡和多任務自動均衡權(quán)重解決多種大氣變量表征和相互影響的問題。其針對的大氣變量包括：位勢、濕度、緯向風速、經(jīng)向風速、溫度以及地表等。“風烏”將這些大氣變量看作多模態(tài)信息，使用多模態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以更好地處理這些信息。

研究團隊從多任務問題的角度出發(fā)，自動學習每個大氣變量的重要性，使得多個大氣變量之間能夠更好地協(xié)同優(yōu)化。為了優(yōu)化“風烏”的多步預測結(jié)果，研究團隊提出了“緩存回放”（replay buffer）策略，減少自回歸預測誤差，提高長期預測的性能。

下圖對不同大氣變量的預測結(jié)果。ACC是用于衡量預測結(jié)果有效性的指標，數(shù)值越高，預測結(jié)果越有效（紅線代表“風烏”，黑線代表GraphCast）。

從結(jié)果上看，“風烏”在6到10天的中期預報上預報技巧顯著高于GraphCast。其中具有代表意義的z500達到了10.75天的有效預報范圍（ACC＞0.6），這也是高分辨率全球中期天氣預報系統(tǒng)首次能夠?qū)Υ髿庾兞窟M行超過10天的有效預報。

未來，“風烏”AI氣象大模型可與傳統(tǒng)的物理模型形成互補，憑借其卓越的性能和精度，為生產(chǎn)生活提供更準確、更實用的天氣預報信息，助力天氣預報數(shù)字化，為農(nóng)林牧漁、航空航海等各行業(yè)及公共安全保障提供有力的支持。

據(jù)悉，上海人工智能實驗室AI for Earth團隊還將把人工智能方法應用到更廣泛的氣象、環(huán)境、天文、地質(zhì)等地球科學問題研究中，助力“碳中和”、防災減災、能源安全等重大需求。