【科學隨筆·我見AI】

  今春氣溫起伏頗大，剛還有人說“一天入夏”，馬上寒流又來了。蓬勃發展的AI，對天氣預報有沒有用？

  長期以來，天氣預報主要依賴於傳統的數值天氣預報模型。隨著AI技術的突破，氣象領域開始應用AI技術提高天氣預報以及氣候預測水準。2023年，《科學》雜誌將“AI輔助天氣預報的發展”評為世界科學十大進展，同年我國主導的AI大模型在精細化天氣預報中的應用，更被評為中國科學十大進展之首。這些里程碑既展現了大氣科學與AI融合的潛力，也為應對極端天氣和防災減災創造了新機遇。

  應該說，全球氣象領域正經歷由AI驅動與傳統模式並行的新格局。得益於大氣科學數據質量優異、規模龐大且持續穩定增長的特點，天氣預報已將AI技術視為新質生產力。自2022年起，英偉達、谷歌、微軟等AI領軍企業相繼推出FourCastNet、GraphCast、NeuralGCM、GenCast等氣象AI大模型，並在《自然》《科學》等頂級期刊發表成果，推動了AI技術在氣象領域的快速發展。

  我國在AI技術應用於天氣預報方面，已躋身國際第一方陣。2024年，中國氣象局啟動了氣象人工智慧科技創新工程，組建了“雄安氣象人工智慧創新研究院”，並與清華大學、復旦大學及上海科學智慧研究院聯合發佈“風清”“風雷”“風順”三大AI系統，首次實現未來0～60天自主可控的無縫隙智慧氣象預報，標誌著中國AI技術在天氣預報領域產學研用一體化方面取得顯著成果。

  面向極端強降水天氣，“風雷”系統首創物理引導與數據驅動混合架構，能夠提供1公里解析度，未來3小時短臨強降水預報，該系統在國家氣象中心強天氣預報中心應用。“風清”大模型是融合AI技術與氣象機理的全球中短期預報系統，其性能位於全球AI天氣預報大模型第一梯隊，“風清”系統以3分鐘生成未來15天全球預報的速度，將核心要素有效預報時效提升至10.5天，在颱風路徑、暴雨、高溫、寒潮等災害性天氣預報上展現出顯著優勢。

  同年，中國氣象局組織開展了人工智慧天氣預報大模型示範計劃（下文簡稱“預報示範計劃”，AIM-FDP），該計劃面向全社會廣泛徵集天氣預報大模型，實現模型-數據產品-評估全鏈條銜接，旨在打造權威天氣預報大模型檢驗評估平臺。其中，“風清”大模型在預報示範計劃中排名前列。

  在防災減災實戰中，AI技術正轉化為守護生命財產安全的利器。2024年第3號颱風“格美”的精準預測成為典型案例——“風清”大模型提前5天鎖定颱風登陸路徑，準確預報出橫跨華南、華東、東北三大區域的弧狀暴雨帶。2024年我國共出現41次大範圍降水過程，其中18次強度達到強等級，4次達到特強等級，其中一次特強等級暴雨過程就是颱風“格美”帶來的。“格美”颱風引發的跨區域強降雨中，“風清”大模型不僅準確捕捉廣東、湖南等核心降雨區，還對山東、遼寧等週邊暴雨中心實現精準定位，為颱風災害防災減災爭取到關鍵決策視窗。

  人工智慧的快速發展為突破現有天氣預報瓶頸提供了新的契機，但前沿的基礎科技仍面臨挑戰。

  當前AI氣象模型面臨雙重挑戰：一是物理可解釋性困局，現有“黑箱”架構難以揭示大氣系統內在機理，模型對參數調整的敏感性可能引發預報偏差。這是由於現有的AI模型框架尚未充分適應大氣科學的時空複雜性特徵，難以準確預測大氣系統的物理行為。二是數據驅動的天然局限，極端天氣事件本身具有小概率特性，其樣本的稀缺直接導致模型對極端等災害性天氣的捕捉能力不足。

  為進一步推動大氣科學領域的AI應用發展，需以專項訓練數據集構建為基礎，強化算力支撐能力建設，並著力打造從觀測端到預報端的一體化AI支撐平臺。依託智算資源，構建既能解析大氣物理規律、又能適應複雜時空特徵的新型預報體系。這種技術融合範式，或將催生大氣科學理論的新突破，為準確預報天氣，尤其是災害性天氣開闢新的認知路徑。

  （作者：楊絢、曹勇，分別系國家氣象中心天氣預報技術研發室正高級工程師；主任）