人工智能预测全球天气：传统天气预报即将被取代？

2024年2月29日，国家自然科学基金委员会发布了2023年度“中国科学十大进展”，其中，“人工智能大模型为精准天气预报带来新突破”排名第一。

榜单公布的第二天，上海人工智能实验室联合国家气象中心、国家气象信息中心、南京信息工程大学、香港科技大学等单位发布了“风乌GHR”大模型，标志着人工智能助气象预报正式进入“10公里级时代”。

于是乎，有关“传统天气预报”是否会完全消失、“人工智能天气预报”是否将取而代之的讨论层出不穷。对此，专家也表示，“人工智能将给整个气象行业带来变革”。

2023年8月1日，台风卡努气象图（图源：中央气象台）

传统天气预报：靠数学“算出来的天气”

天气预报是科学领域中最古老且充满挑战的工作之一，从古人“观天象借东风”，到1851年，英国首先绘制地面天气图，再到20世纪发明初代气象仪器，天气预报逐步迈入“科学时代”。

目前，现代意义上的“传统天气预报”，常规方法是使用天气预报模式进行定量化预报。该方法从精确定义的物理方程出发，然后转化成在超级计算机上运行的计算机算法。简言之，传统天气预报是靠数学方程，通过超算“算出来的”。

据中国科学院大气物理研究所研究员马柱国介绍，这种模式本质上是一个数学模型，即利用流体力学变化运动规律对大气流体建立一种运动方程，继而生成一个伴随时间变化的预报方程。比如，已知这个时刻的天气，根据运动方程可以判断下一个时间段的天气情况。

然而，这种设计方程和算法十分耗时，若想做出准确的预测需要深厚的专业知识和昂贵的计算资源。例如，数据获取方面需要卫星遥感、雷达观测、飞机观测、船舶观测、海上浮标观测等的观测资料。

获取数据后，即使是在超级计算机的助力下，目前，通常预报3天的气象结果仍需几个小时的模拟推导，每天重复操作，从未间断。

谷歌人工智能预测天气流程图（图源：世界经济论坛）

人工智能天气预报：靠“经验”预测又准又快

如果说传统天气预报是靠数学推理的“理科生”，那么人工智能更像是一个开了挂的“算命大师”。

它的实质其实是利用大数据、高算力等技术与气象预测的深度结合，形成智能跨域、多尺度、精准的气象体系，实现大幅度提升气象预报速度，增强预报时效性。

也就是说，这些模型不是真正的数据驱动，而是站在“巨人的肩膀上”才看得更远，靠以往足够多的经验、数据来预测天气。

因此，在精度和速度方面，人工智能相较于传统方式更准更快。比如谷歌2023年推出的天气预测模型GraphCast，在1分钟内能够预测未来10天的数百个天气变量。

2023年4月，中国发布的人工智能大模型“风乌”，同样实现了在高分辨率上对核心大气变量进行超过10天的有效预报，其误差率相较于谷歌的人工智能大模型更是降低了10.87%，30秒即可生成未来10天全球高精度预报结果，显著优于传统气象预报方法。

传统数值模式与AI气象大模型数据对比图（图源：上观新闻）

但是，气象学专家们也表示，这并不意味着AI已经可以取代所有传统预报方法。

中国气象局上海台风研究所副所长黄伟称，目前的AI气象大模型都缺乏长期验证和应用，结果高度依赖再分析数据而非基于真实物理过程，也未涉及关键的资料同化过程，存在对极端天气估计偏弱等问题。因此，目前的气象大模型还不能取代数值预报的全部工作流。

科罗拉多州立大学大气研究合作研究所数据可视化研究员Jacob Radford同样表示，AI的操作流程值得商榷，“预报员的一个关键角色是向合作伙伴解释和传达信息，由于缺乏工具来确定AI模型为什么会做出这样的预测，这项任务变得更具挑战性。这些模型仍处于起步阶段，在考虑投入使用之前，仍需要在研究和预报员群体中建立信任。”

尽管如此，研究人员也深信，人工智能的出现标志着天气预测迎来了一个重要的转折点，为人类开辟了一条全新的道路。

我国发布“风乌GHR”大模型（图源：上观新闻）

我国人工智能助气象预报进入“10公里级时代”

早在2017年，上海气象部门的预报团队就引入了人工智能。有了人工智能，计算机模型对长时间记忆具备更大容量，能使雷达回波推算时长延长至2小时，让预报员在暴雨等强对流天气面前能够更加自如。

自2022年以来，国内一些企业和机构相继发布AI气象大模型，并初步得到了实践检验。2022年7月20日，中央气象台首次成功预报龙卷风，并于14时发布强对流天气黄色预警。

2023年4月，中国发布的人工智能大模型“风乌”，首次实现在高分辨率上对核心大气变量进行超过10天的有效预报。（“风乌”取名自秦汉时期的“相风铜乌”，是世界上最早的测风设备。）

2024年3月1日，上海人工智能实验室联合国家气象中心、国家气象信息中心、南京信息工程大学、香港科技大学等单位将其升级为“风乌GHR”，首次借助AI实现了对中期天气进行10公里级的建模和预报，将预报分辨率提升至0.09经纬度（9km×9km），对应的地表面积约为81平方公里，比第一代“风乌”的精确预报范围大7倍。

如今，全面升级的“风乌GHR”相当于一个“4K高清版”大模型，有助于实现更精细、更高效的气象预报，这也标志着我国人工智能助气象预报进入“10公里级时代”。

极目新闻综合新华社、世界经济论坛、上观新闻、澎湃新闻、中国经济时报、潮新闻、中国气象报、中新网、科技日报