天氣狀況瞬息萬變，令人難以捉摸。最大程度地精準預(yù)報天氣、預(yù)測氣候一直是人們的不懈追求。數(shù)值預(yù)報的誕生給天氣預(yù)報領(lǐng)域帶來跨越式發(fā)展，它根據(jù)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(xué)和熱力學(xué)方程組，進而預(yù)判未來一定時段的大氣運動狀態(tài)。隨著智能化時代到來，人工智能（AI）技術(shù)的身影在各領(lǐng)域日漸活躍。當(dāng)AI融入數(shù)值預(yù)報，會帶來哪些變化？

AI融入，形成數(shù)值預(yù)報的有力補充

AI被認為是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù)，已經(jīng)融入到經(jīng)濟社會的方方面面。數(shù)值預(yù)報和AI有著天然的耦合關(guān)系，人工智能天生就是處理大數(shù)據(jù)的工具，可以利用知識經(jīng)驗提高計算速度和提升預(yù)報精度，還可以“模擬”數(shù)值模式中無法精確描述的部分物理過程?？梢哉f，在氣象預(yù)報方法上，人工智能技術(shù)可以成為數(shù)值預(yù)報的有力補充。

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

目前，數(shù)值預(yù)報中心已經(jīng)在資料同化、模式物理過程參數(shù)化方案、觀測算子、衛(wèi)星圖像云檢測、模式產(chǎn)品后處理、集合預(yù)報等業(yè)務(wù)全鏈條中開展了人工智能應(yīng)用研究?！安贿^，從研發(fā)到真正的業(yè)務(wù)應(yīng)用，AI與數(shù)值預(yù)報深度融合任重而道遠。”井浩指出，“目前，AI在數(shù)值預(yù)報中的作用主要是進行模塊上的替代，而業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)必須及時提供預(yù)報產(chǎn)品，對穩(wěn)定性要求極高，突然加入AI模塊可能導(dǎo)致預(yù)報系統(tǒng)運行穩(wěn)定性下降，因此還要進行長久攻關(guān)。”另外，數(shù)值模式與AI技術(shù)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。”井浩比喻，“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(shù)值預(yù)報中心通過自身發(fā)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(shù)值模式方面，對于輻射等復(fù)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(yù)報的時效性。此外，研發(fā)了基于生成式模型的超分辨率預(yù)報模型?！跋嘈烹S著數(shù)值模式本身的進步和AI的融合應(yīng)用，未來的預(yù)報將更加精準和高效?！本迫缡钦f。

AI出手，能否帶來氣候預(yù)測新突破？

目前，氣候系統(tǒng)模式是對氣候和氣候變化進行預(yù)測的一個重要工具。

而由于人類對復(fù)雜氣候系統(tǒng)認識和技術(shù)條件的局限性，氣候系統(tǒng)模式的不確定性將長期存在，其發(fā)展要仰賴氣候科學(xué)的發(fā)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(shù)據(jù)當(dāng)中找尋規(guī)律，增強我們對大氣中某些現(xiàn)象的預(yù)測能力。比如對于高溫?zé)崂?、極端降水等氣象災(zāi)害，我們采用傳統(tǒng)的數(shù)理方程或統(tǒng)計方法進行預(yù)測，但積累了大量的數(shù)據(jù)之后，還可以通過AI進行數(shù)據(jù)分析、推理和預(yù)測，充分發(fā)揮AI非線性擬合的能力，在傳統(tǒng)數(shù)理方法的基礎(chǔ)上進一步提高預(yù)測的準確性，未來還可能發(fā)現(xiàn)某些規(guī)律并給傳統(tǒng)數(shù)理方法提供改進線索。”數(shù)值預(yù)報中心科技業(yè)務(wù)處處長孫健表示。

理論驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動這兩種不同的科學(xué)范式具有互補性，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型和人工智能模型的深度結(jié)合是氣候系統(tǒng)模式發(fā)展的前沿方向。目前，數(shù)值預(yù)報中心利用AI技術(shù)創(chuàng)新氣候系統(tǒng)模式發(fā)展，實現(xiàn)了基于AI算法的次網(wǎng)格物理過程方案在全球氣候模擬中的融合應(yīng)用，并成功進行了長期穩(wěn)定積分，合理再現(xiàn)了平均氣候態(tài)特征，以及關(guān)鍵氣候變率的動力過程?！皻W美等國際主要數(shù)值模式研發(fā)機構(gòu)正在試圖利用AI技術(shù)突破地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報。我們研發(fā)的下一代模式，也一定是融合了AI的新型地球系統(tǒng)模式?！睌?shù)值預(yù)報中心耦合模式室主任路屹雄表示。

盡管機器學(xué)習(xí)等AI技術(shù)在氣候系統(tǒng)模式中的應(yīng)用尚處于起步階段，但其在發(fā)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)集中存在的復(fù)雜非線性關(guān)系方面的強大表現(xiàn)，對于研發(fā)地球系統(tǒng)模式至關(guān)重要。隨著人工智能和物理建模相結(jié)合，氣候和地球系統(tǒng)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(jīng)開始用機器學(xué)習(xí)來替換氣候模式中的部分模塊；歐洲中期天氣預(yù)報中心人工智能技術(shù)已覆蓋數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的全流程，滲入到預(yù)報中的各個環(huán)節(jié)。

融合了AI的模式能進一步加速氣候預(yù)測的精細化程度，其在強風(fēng)暴預(yù)警、極端氣候預(yù)測等方面潛力巨大。不過，也應(yīng)該清醒地認識到，地球系統(tǒng)龐大復(fù)雜，讓人工智能“看懂”地球風(fēng)云還有很長的路要走。所以，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，AI還是會以輔助的姿態(tài)與傳統(tǒng)的數(shù)值模式相結(jié)合，幫助人類在應(yīng)對天氣氣候影響時拿出更優(yōu)的決策方案。

新質(zhì)生產(chǎn)力開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道、塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢。向新領(lǐng)域和新發(fā)展謀突破勢在必行?！叭斯ぶ悄茉跉庀笮袠I(yè)中的應(yīng)用剛起步，應(yīng)用場景未來還有很多，數(shù)值預(yù)報中心將把握科技革命潮流，推動人工智能與數(shù)值預(yù)報深度融合，把其變成模式發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，提高數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的精度和速度，助力打贏地球系統(tǒng)數(shù)值模式的關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)?！睂O健表示。

（作者：唐淼?責(zé)任編輯：張林）