人工智能预测可以帮助我们应对更加极端的天气

随着地球变暖和海平面上升，极端天气事件正在成为常态。越来越严重的飓风登陆时会带来风灾和洪水。就在本周，世界经历了有记录以来最热的三天。

能否及时收到通知以应对灾难性的飓风或热浪（例如最近美国南部和中西部的酷热天气，日均气温飙升至 112 华氏度）可能是生死之间的差别。问题是，预测天气，甚至是日常事件，仍然是一场赌博。人工智能可以提供帮助。

7 月 5 日发表在《自然》杂志上的两项研究描述了两种可以改善天气预报的人工智能模型的实用性。第一个基于人工智能的系统称为盘古天气，它能够提前一周预测全球天气。第二个系统 NowcastNet 可以提前六小时准确预测降雨量，这将使气象学家能够更好地实时研究天气模式。

华为云中国高级研究员、其中一项研究的合著者谢灵曦解释说，盘古天气和其他方法展示了人工智能在极端天气预警方面的潜力，特别是对于欠发达国家。 ”

大多数国家都使用数值天气预报模型，这些模型使用数学方程式来创建大气和海洋的计算机模拟。当您查看手机上的 AccuWeather 或天气应用程序时，数值天气预报的数据可用于预测未来天气。科罗拉多州立大学的气候学家 Russ Schumacher（未参与这两项研究）将这些预测工具誉为数十年来的重大科学成功案例。“它们推动了预测的重大进步，而随着更多数据的出现、这些模型的改进和更先进的计算机，预测将继续变得更加准确。”

但谢指出，“人工智能在数值天气预报方面具有优势，其速度比传统的基于模拟的模型快几个数量级。”数值模型通常没有能力预测龙卷风或冰雹等极端天气灾害。此外，与人工智能系统不同，它需要大量的计算能力和数小时才能进行一次模拟。

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为了训练盘古天气模型，谢志雄和他的同事将 39 年的全球天气数据输入系统，准备预测温度、气压和风速。与数值天气预报方法相比，盘古天气的速度快了 10,000 倍，准确率却丝毫不逊色。与过去的 AI 预报系统不同，盘古天气还包含一个 3D 模型，可以记录不同气压水平下的大气状态，从而进一步提高其准确性。

盘古天气可以提前五到七天预测天气模式。然而，人工智能模型无法预测降水，而降水是预测龙卷风和其他极端事件所必需的。第二项《自然》研究用他们的模型 NowcastNet 填补了这一空白。

与盘古天气不同，NowcastNet 侧重于对局部地区极端降雨模式进行详细、真实的描述。NowcastNet 使用来自美国和中国的雷达观测以及深度学习方法，提前 3 小时预测美国东部和中部 160 万平方英里地区的降水率。此外，来自中国的 62 位气象学家对 NowcastNet 进行了测试，并在四种其他领先的天气预报方法中，将其列为大雨预测的可靠性第一名，准确率为 71%。

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美国国家科学基金会天气、气候和沿海海洋学可信人工智能研究所所长艾米·麦戈文 (Amy McGovern) 表示：“所有这些生成式人工智能模型都很有前景”，但她并未参与这两项研究。但这些人工智能模型需要进行一些改进，才能完全取代目前的天气预报系统。

麦戈文提出的第一个担忧是缺乏基于物理学的数学方程。考虑大气中水分、空气和热量的物理特性将产生更准确的预测。“这些论文仍然是概念验证，”她说，“并没有使用物理定律来预测极端天气。”第二个担忧，也是人工智能技术的主要缺点，是编码偏差。人工智能的好坏取决于它所输入的数据。如果用低质量的数据或不代表某个地区的信息进行训练，人工智能预报员在一个地区的准确率可能会较低，但在另一个地区仍然有用。

随着人工智能不断扩展到从艺术到医学等生活的各个方面，气象学也不会被排除在外。虽然目前的人工智能系统需要进一步发展，但麦戈文对未来做出了自己的预测：“再过 5 到 10 年，我们将对这些模型所能做的事情感到惊讶。”