近日，一則人工智能或能提前一周預(yù)測臺風的消息引發(fā)關(guān)注。報道稱，日本海洋研究機構(gòu)和九州大學的研究小組利用人工智能深度學習技術(shù)，開發(fā)了從全球云系統(tǒng)分辨率模型（NICAM）氣候?qū)嶒灁?shù)據(jù)中高精度識別熱帶低氣壓征兆云的方法。該方法可識別出夏季西北太平洋熱帶低氣壓發(fā)生一周前的征兆。
不看不知道，原來人工智能在天氣預(yù)報方面已經(jīng)開始發(fā)威。它會比人類預(yù)報得更準嗎？記者為此采訪了中央氣象臺專家，試圖理解氣象預(yù)報的AI助手究竟表現(xiàn)如何。
AI已成天氣預(yù)報研究熱門
根據(jù)相關(guān)報道，研究小組具體的做法是首先利用熱帶低氣壓跟蹤算法，將全球云系統(tǒng)分辨率模型20年積累的氣候?qū)嶒灁?shù)據(jù)，制成5萬張熱帶低氣壓初始云及演變中的熱帶低氣壓云圖片，再加上100萬張未演變成熱帶低氣壓的低氣壓云圖片，共105萬張圖片組成10組學習數(shù)據(jù)，利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學習，生成不同特征的10種識別器，然后構(gòu)筑出可對10種識別器結(jié)果進行綜合評價的集合識別器。
對此，中央氣象臺臺風與海洋氣象預(yù)報中心副主任錢奇峰表示，相關(guān)報道只介紹了做法，并沒有體現(xiàn)出具體的預(yù)報成果，“臺風發(fā)展有一些階段，發(fā)展時間比較長，在大洋上形成胚胎，短則2至3天、長的要5天甚至7天發(fā)展成臺風。要提前7天識別出熱帶低氣壓發(fā)生前的征兆，相信是可以做到的。”
據(jù)錢奇峰介紹，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法用在天氣預(yù)報上并不新鮮，上世紀八十年代已經(jīng)有一些應(yīng)用，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)深度學習、復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步應(yīng)用，人工智能預(yù)報天氣已經(jīng)成為很熱門的一個話題。不光用在臨近天氣的預(yù)報，氣候應(yīng)用研究、臺風海洋預(yù)報、海霧的預(yù)報等領(lǐng)域，都有人工智能技術(shù)的加持。
中央氣象臺天氣預(yù)報技術(shù)研發(fā)室副主任代刊介紹，學界對AI在天氣氣候中的應(yīng)用研究進展進行了分類整理，主要包括雷達質(zhì)量控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演及同化等氣象數(shù)據(jù)處理；短時臨近預(yù)報、概率預(yù)報、臺風海洋天氣預(yù)報、極端或災(zāi)害性天氣預(yù)警、環(huán)境預(yù)報等天氣業(yè)務(wù)；風暴環(huán)境特征分類、天氣系統(tǒng)識別等天氣氣候分析；通信、生態(tài)環(huán)境、水資源和能源等領(lǐng)域的商業(yè)或行業(yè)應(yīng)用。如何將人工智能技術(shù)應(yīng)用到天氣氣候研究和應(yīng)用領(lǐng)域，已成為熱點方向。
彌補傳統(tǒng)數(shù)值模式的不足
代刊告訴記者，傳統(tǒng)天氣預(yù)報不斷發(fā)展更加復(fù)雜的動力數(shù)值模式，以求更準確和提前預(yù)報天氣，人工智能預(yù)報天氣則是以大數(shù)據(jù)驅(qū)動為主的預(yù)報技術(shù)，“實際上這兩種方式是解決不同的問題，即不斷發(fā)展的數(shù)值模式系統(tǒng)提供更高分辨率、更準確的預(yù)報結(jié)果，但由于其自身的缺陷以及天氣預(yù)報的不確定性，仍然不能滿足各種用戶的不同需求，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法為彌補這一差距提供了非常有用的工具。”代刊表示。
在我國，近年來隨著天氣業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的推進，AI技術(shù)也得到逐步應(yīng)用。據(jù)代刊介紹，在國家氣象中心，研究人員已經(jīng)將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于海量集合預(yù)報數(shù)據(jù)的預(yù)報信息提取，如發(fā)展的最優(yōu)百分位技術(shù)和臺風路徑最優(yōu)選取集成方法，對提高預(yù)報準確率起到顯著效果。
“我們正在探索將人工智能技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)，通過與清華大學合作，采用分布式深度學習框架、時空記憶深度循環(huán)網(wǎng)絡(luò)算法，雷達外推預(yù)報準確率較之以往平均提升40%。”代刊說。
在公共氣象服務(wù)中心，研究者聯(lián)合天津大學共同研發(fā)了全國強對流服務(wù)產(chǎn)品加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用圖像識別和深度學習等新技術(shù)，能夠快速和智能化地監(jiān)測預(yù)警強對流天氣，可以判斷出未來30分鐘內(nèi)強對流天氣發(fā)生和影響的區(qū)域，預(yù)測產(chǎn)品的區(qū)域空間分辨率為1公里，每6分鐘滾動更新。
除了國家氣象臺，各省級氣象臺也都已開展相關(guān)研究，“人工智能這么火，我們肯定希望早把它用在我們的專業(yè)上，不用新技術(shù)就落伍了。”錢奇峰笑說。目前，廣東省氣象局利用阿里平臺開展的基于深度學習的短臨降水預(yù)報效果良好；北京市氣象局也將機器學習方法應(yīng)用于溫度預(yù)報；福建省氣象局基于機器學習的降水要素的客觀訂正方法已在多個省氣象局得到業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用。
結(jié)合優(yōu)勢向縱深發(fā)展
雖然取得了一系列成績，但與發(fā)達國家相比，國內(nèi)關(guān)于AI作用于天氣預(yù)報的研究和應(yīng)用還存在一定差距，包括：AI技術(shù)應(yīng)用集中在短時臨近預(yù)報上，而對于天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的全鏈條，如數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、多災(zāi)種天氣預(yù)警能力、產(chǎn)品制作以及決策服務(wù)等的支撐還遠不足；AI技術(shù)以應(yīng)用開發(fā)為主，相關(guān)理論研究以及面向業(yè)務(wù)需求有針對性的研發(fā)還不夠深入。
對此，代刊建議，為進一步推進AI技術(shù)在業(yè)務(wù)流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，未來應(yīng)加強新的、更高級的AI技術(shù)理論研究和應(yīng)用開發(fā)，“目前大部分AI技術(shù)方法研發(fā)還是以大氣科學專業(yè)背景人員為主，需要統(tǒng)計學、計算科學、大數(shù)據(jù)挖掘等專業(yè)背景的科學家加入，并積極與相關(guān)高校、科研院所合作。”
更重要的是數(shù)據(jù)， AI技術(shù)的產(chǎn)品輸出質(zhì)量受到輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制，要想取得更好效果，需要加強高質(zhì)量、長序列的氣象訓練數(shù)據(jù)集的研發(fā)，例如提供長歷史、統(tǒng)計特性一致的模式數(shù)據(jù)，整理和開發(fā)高分辨的觀測和分析資料用于訓練和檢驗。在前述日本海洋研究機構(gòu)和九州大學的研究中，研究小組為了利用深度學習獲得更高的識別精度，對每一種氣象類型都需要超過數(shù)千張圖片的大量數(shù)據(jù)。“我們也在做長序列氣象數(shù)據(jù)的再分析。”代刊表示。
另外他強調(diào)，目前大部分AI技術(shù)類似“黑箱”，在通常情況下運行良好，但遇到極端情況可能會失效。因此，據(jù)代刊介紹，英國氣象局一直在利用數(shù)據(jù)驅(qū)動，將統(tǒng)計技術(shù)與物理模式和深刻理解結(jié)合起來，并積累了大量經(jīng)驗，例如將高分辨率觀測網(wǎng)、復(fù)雜數(shù)值模式和再分析數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計技術(shù)結(jié)合起來為風能行業(yè)發(fā)展了業(yè)務(wù)預(yù)報工具，能夠提供更高精度的風力預(yù)報，并適用于復(fù)雜地形條件。
“為了克服來自黑箱應(yīng)用的挑戰(zhàn)，還需要發(fā)展針對環(huán)境科學的機器學習理論和方法。”代刊表示。此外，也需要積極推動研究成果到業(yè)務(wù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，包括建立開放性、眾創(chuàng)的后處理支持基礎(chǔ)架構(gòu)，建立跨部門的團隊來建設(shè)和維護通用AI算法軟件、訓練及測試數(shù)據(jù)、檢驗評估等，提供資源用于培訓相關(guān)人員的研發(fā)水平。
代刊表示，有好的預(yù)報不等于能做出好的決策，傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報結(jié)果越來越精確，但降水量、臺風強度和路徑等預(yù)報結(jié)果并不一定導(dǎo)向好的應(yīng)對決策。在這方面，人工智能技術(shù)大有可為，雖然AI還不能很好地模擬傳統(tǒng)的物理過程，但通過綜合如交通、能源、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和研究，它能幫助人類在應(yīng)對天氣影響時拿出更優(yōu)良的決策方案。
“人工智能在氣象行業(yè)中的應(yīng)用剛起步，應(yīng)用場景未來還有很多。“錢奇峰表示，“在未來10年當中，整合基于物理模式的數(shù)值預(yù)報和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，將會給天氣預(yù)報帶來新的機會，例如將機器學習應(yīng)用于交通堵塞、航空延誤、花粉過敏等難以用物理模型處理的預(yù)報，能夠提供更有價值的信息。”（記者 崔爽）