今天小編分享的科技經驗：大模型追蹤“杜蘇芮”，歡迎閱讀。
大模型能否提高台風預報的準确性？
作者｜王博
" 我們已經做好準備了。"
一位福建漳州的網友在社交媒體上展示了全套的防台風裝備，她不僅給窗戶貼上了膠帶，還用木板和木棍牢牢抵住了窗戶。盡管做了這些準備，但是她還是有些擔心地說：" 希望有用吧。"
在廈門市湖裡區長樂三期小區，小區門口的擴音器不斷播放着防台風注意事項，小區的樹葉掉落區和外牆脫落區也拉起了安全警戒線，以防居民靠近發生危險。
當地居民嚴陣以待的，就是今年第 5 号台風 " 杜蘇芮 "。
而在距離廈門 2000 多公裡的北京，自從 7 月 21 日 " 杜蘇芮 " 生成後，中央氣象台的預報員們就在密切關注台風的移動路徑，并發布預報和預警信息。
" 預警發出去，通常就睡不着了，就算已經下班，也會随時盯着看台風到底在哪裡登陸。" 國家氣象中心台風與海洋氣象預報中心首席預報員高拴柱在接受中國氣象報社記者采訪時說。
7 月 24 日，中央氣象台發布預報信息，" 杜蘇芮 " 将于 28 日上午登陸，最大可能在福建中南部沿海登陸。7 月 27 日，中央氣象台繼續發布預報信息，" 杜蘇芮 " 将于 28 日早晨到上午登陸，最大可能在福建東山到惠安沿海登陸（強台風級或超強台風級）。
" 尤其是自己做的預報，很想知道有沒有報準，那種心情就跟等待考試成績出來一樣。" 高拴柱說。
據中央氣象台監測，" 杜蘇芮 " 的中心在 7 月 28 日 9 時 55 分前後在福建晉江沿海登陸，登陸時中心附近最大風力 50 米 / 秒，強度為強台風級。晉江就在東山到惠安之間。
台風預報從來都不是一件容易的事情。
在百度 " 台風吧 " 中，有網友對比了國内外專業氣象機構發布的 " 杜蘇芮 " 預報，光是登陸地點，就有廣東、福建、浙江等多個版本。而 AI 氣象大模型在台風預報中的表現也是近期 " 台風吧 " 内熱議的話題之一，其中一款國產氣象大模型關于 " 杜蘇芮 " 路徑的預報圖被吧友頻繁引用，該大模型除了在 " 杜蘇芮 " 產生之初預測的登陸地有些偏差外，後續預測的登陸地就一直是福建。
國產氣象大模型也得到了 " 國家隊 " 的認可。根據中國氣象報社的報道，國家氣象中心台風與海洋氣象預報中心在 " 杜蘇芮 " 影響期間，就與浦江實驗室、華為公司聯合開展了人工智能大模型試驗，在台風預報中應用了 " 風烏 "" 盤古大模型 "。
當一些 AI 大模型的應用走出 PPT，它們可能沒有出現在熱搜、頭條中，甚至不容易被大眾感知，但是它們提供了專業的工具，提高了分析速度和精度，創造了經濟價值，甚至挽救了生命。
" 杜蘇芮 " 路徑預報
圖片來源：香港天文台
7 月 21 日 " 杜蘇芮 " 生成後，香港天文台給出過一版路徑預報，" 杜蘇芮 " 登陸華東或是華南都存在一定可能性。有網友基于這張圖調侃，" 這範圍像老師給劃的重點，第一頁到最後一頁 "。
調侃歸調侃，其他國家或地區的專業氣象機構預測的 " 杜蘇芮 " 路徑也存在差異，台風預測需要經過反復研判分析，不斷根據最新監測數據，滾動訂正預測結果。
" 杜蘇芮 " 本身也很特殊，一路上拐了多個直角彎，多次衝上 " 熱搜 "。此前，中央氣象台專家在分析 " 杜蘇芮 " 的情況時坦言，" 杜蘇芮 " 移動路徑不确定性大，具體登陸位置很難确定，強度變化也需要再三分析。
" 杜蘇芮 " 路徑圖
圖片來源：中央氣象台 · 台風網
回顧歷史，1986 年的 " 韋恩 "、1991 年的 " 納德 " 以及 2001 年的 " 百合 "，都是路徑較為曲折的台風，有的甚至可以用 " 貪吃蛇 " 般的走位來形容，這給台風預報帶來了很多不确定性。
将台風預報的不确定性降到最低，是各家專業氣象機構的目标。台風預報路徑越準确，相關地區的防範措施越及時、有效，台風對人的傷害就會越小。從經濟角度來看，2017 年發表的《登陸熱帶氣旋路徑和強度預報的效益評估初步研究》一文就指出，對于登陸中國大陸的台風，24 小時路徑預報誤差每減小 1 千米，可減少因災直接經濟損失約 0.97 億元。
但是，減少台風預報的不确定性是一個長期且緩慢的過程。《自然》（Nature）雜志在 2015 年刊載的《數值天氣預報的寂靜革命》（The quiet revolution of numerical weather prediction）一文就指出，囿于氣象觀測的準确度，大氣系統中物理過程的復雜性，以及求解大氣模型所需資源規模巨大，全球中期天氣預報的有效性每 10 年才提高 1 天。
根據中國氣象局、日本氣象廳、美國聯合台風警報中心等專業氣象機構的評估報告，從 1990 年到 2020 年，西北太平洋台風路徑預報能力進步顯著，2020 年的 72 小時預報已達到上世紀 90 年代初的 24 小時預報水平，可預報時效延長了整整 2 天。但是，各機構的評估結果還表明，台風路徑預報誤差的減小趨勢在近幾年明顯減緩。這引發了學術界對台風路徑預報是否已接近可預報性極限的關注。
上海台風研究所餘晖研究員團隊 2022 年初在美國氣象學會會刊 BAMS 上發表文章指出，從 1990 年到 2020 年，西北太平洋台風路徑預報技術的發展經歷了三個階段，每個階段歷時約 10 年。
在 1990 年代，氣候類和統計類方法占主導，區網域數值模式嶄露頭角。
進入 2000 年代後，區網域和全球數值模式均飛速發展，氣候和統計類方法逐步退出了歷史舞台。
2010 年代，随着分辨率的進一步提升，全球數值模式逐漸居于主導地位。同時，關于台風預報技術和數據的國際合作極大推動了基于集合預報系統和多模式預報的客觀集成預報技術在各大機構的廣泛應用，也使得各機構的台風路徑預報表現出顯著的趨同性。
餘晖在文中同時表示，假設過去十年的發展趨勢能繼續保持，預計将在 2035 年前後達到由當前台風位置觀測能力所決定的預報極限。
那麼，台風路徑預報是否已接近可預報性極限？還有沒有方式可以提高台風預報的準确性？
變化已經發生。
2023 年 7 月 6 日，《自然》 ( Nature ) 雜志正刊發表了華為雲盤古大模型研發團隊研究成果——《三維神經網絡用于精準中期全球天氣預報》（Accurate medium-range global weather forecasting with 3D neural networks）。數據顯示，這是近年來中國科技公司首篇作為唯一署名部門發表的《自然》正刊論文。
《自然》審稿人對該成果給予高度評價：" 華為雲盤古氣象大模型讓人們重新審視氣象預報模型的未來，模型的開放将推動該領網域的發展。"
華為雲盤古氣象大模型研究成果
在《自然》 ( Nature ) 雜志正刊發表
圖片來源：《自然》 ( Nature ) 雜志
今年 4 月 7 日，上海人工智能實驗室聯合中國科學技術大學、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台發布全球中期天氣預報大模型 " 風烏 "。
" 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。
在 2023 世界人工智能大會上，這兩款大模型也受到了關注。尤其在華為雲盤古氣象大模型團隊的論文登上《自然》（Nature）雜志的消息傳開後，很多人慕名來到華為雲盤古氣象大模型的展位了解情況，在展位負責講解的工作人員告訴「甲子光年」：" 今年 5 月，在台風‘瑪娃’的路徑預報中，華為雲盤古氣象大模型就在應用了，提前五天預報出‘瑪娃’的轉向路徑。"
華為雲盤古氣象大模型
在 2023 世界人工智能大會展示
圖片來源：「甲子光年」現場拍攝
同樣在大會上，上海人工智能實驗室方面也介紹，" 風烏 " 對台風 " 瑪娃 " 進行了準确的軌迹預報。
AI 氣象大模型預報似乎有超過傳統的數值天氣預報（numerical weather prediction）之勢。
數值天氣預報是指根據大氣實際情況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機作數值計算，求解描寫天氣演變過程的流體力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀态和天氣現象的方法。
近三十年來，随着算力的迅速發展，數值天氣預報在每日天氣預報、極端災害預警、氣候變化預測等領網域取得了巨大的成功。但是随着算力增長的趨緩和物理模型的逐漸復雜化，傳統數值預報的瓶頸日益突出：一方面，傳統數值預報對算力的消耗非常大；另一方面，復雜的參數化物理模型始終是不完備的。
中國氣象學會副理事長、國防科技大學氣象海洋學院教授費建芳表示，近 10 年來，台風路徑預報準确率穩步提升，而強度預報準确率提升較為緩慢，主要是數值模式對海洋響應過程的描述還不夠準确。" 提高台風預報水平，實現科學減災，迫切需要進一步深入研究台風影響下的多尺度海氣相互作用過程，研發準确考慮海氣相互作用過程的海氣耦合數值預報系統。" 費建芳說。
近年來，研究者們開始嘗試引入 AI 大模型來進行氣象預報。
2021 年，華為雲提出要打造針對氣象領網域的垂直行業大模型，但是在研發初期，團隊發現 AI 預報的精度無法超越數值預報方法，這讓其大模型的發展一度陷入瓶頸。
華為雲研發團隊發現，AI 氣象預報模型的精度不足主要有兩個原因：第一，原有的 AI 氣象預報模型都是基于 2D 神經網絡，無法很好地處理不均勻的 3D 氣象數據；第二，AI 方法缺少數學物理機理約束，因此在迭代的過程中會不斷積累迭代誤差。
為此，團隊創造性地提出了适應地球坐标系統的三維神經網絡（3D Earth-Specific Transformer）來處理復雜的不均勻 3D 氣象數據，并且使用層次化時網域聚合策略來減少預報迭代次數，從而減少迭代誤差。
在台風預報領網域，原來預測一個台風未來 10 天的路徑，需要在 3000 台伺服器的高性能計算機集群上花費 5 小時進行仿真。現在基于預訓練的盤古氣象大模型，通過 AI 推理的方式，只需 1 台伺服器、1 卡配置、10 秒時間，就可以獲得更精确的預測結果。
華為雲盤古氣象大模型方面表示，通過在 43 年的全球天氣數據上訓練深度神經網絡，盤古氣象大模型在精度和速度方面超越傳統數值預測方法。例如，在熱帶風暴預測任務中，盤古氣象大模型的預測精度顯著超過歐洲氣象中心的高精度預報（ECMWF HRES Forecast）結果。
但是，去年 11 月，在社交媒體上，曾有氣象專家質疑其有過度宣傳之嫌。對此，華為雲盤古氣象大模型論文創作團隊成員解釋：" 我們将 NWP（數值天氣預報）限定為‘基于同化數據進行預測的方法’，而不是指代‘整個數值氣象預報領網域’。盤古确實首次在同化數據上超越了傳統方法，我們使用了與英偉達 FourCastNet 完全相同的測試環境，确保對比的公平性和結論的可信度。"
對于 AI 和傳統數值預報的關系，上海人工智能實驗室在其官網文章中表達了觀點：實踐證明，将觀測與數值預報和人工智能相結合，可有效提升數值預報的準确性。由于不需要通過復雜的物理系統仿真，AI 氣象預報模型突破了傳統預報方法的計算瓶頸，因此能夠高效地進行預報和集成。
AI to B 已是行業大趨勢，深度融合、優勢互補，為人們生產、生活提供更準确、更實用的信息和分析才是新技術應用的目的。
今年第 5 号台風 " 杜蘇芮 " 剛剛登陸，第 6 号台風 " 卡努 " 則已在菲律賓以東洋面上生成。
在下一場台風來臨之前，相信會有更多人根據預報信息說出：
" 我們已經做好準備了。"
（封面圖：台風 " 杜蘇芮 " 登陸前衛星雲圖。圖片來源：國家衛星氣象中心）
參考資料：
*《" 捕 " 台風的人———走進 " 杜蘇芮 " 登陸前的中央氣象台》，中國氣象報社
https://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202307/t20230727_5676654.html
*《專家詳解：" 杜蘇芮 " 系本世紀以來對福建影響最嚴重的台風之一》，澎湃新聞
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1772621967125574401
* 台風路徑預報是否已接近可預報性極限？
https://www.sti.org.cn/keyanchengguo/2588.html
*《華為雲盤古氣象大模型研究成果在《Nature》正刊發表》，華為官網
https://www.huawei.com/cn/news/2023/7/pangu-ai-model-nature-publish
*《華為雲提出盤古氣象大模型：中長期氣象預報精度首次超過傳統數值方法，速度提升 10000 倍以上》，盤古氣象大模型團隊
https://zhuanlan.zhihu.com/p/582285853
*《上海人工智能實驗室發布 " 風烏 " 大模型，全球氣象有效預報時間首破 10 天》，上海人工智能實驗室
https://www.shlab.org.cn/news/5443382
END.
>
