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人工智能| 杜蘇苪氣象預測比拼 AI完勝數值天氣預報

ECMWF總幹事Florence Rabier
ECMWF總幹事Florence Rabier亦承認對於盤古的能力感到意外,AI成本上比NWP更有優勢,但不代表可取代NWP,因為訓練AI要大量氣象數據,缺乏氣象數據的地點,仍要NWP預測補充。(圖片來源:ECMWF)

[人工智能]

一直以來,氣象預報都利用了超級電腦計算,成本驚人。人工智能(AI)出現,提高了凖確性,卻大大降低成本。

較早前,《自然》發表了華為論文《三維神經網絡用於精准中期全球天氣預報》(《Accurate medium-range global weather forecasting with 3D neural networks》),細詳介紹了盤古氣象大模型。盤古是首個精度超越了「數值天氣預報」(Numerical weather prediction,NWP)的AI模型,速度更快了一萬倍以上。

「盤古」提供全球氣象秒級預報,歐洲中期預報中心(ECMWF)和中央氣象台正在測試。上海人工智能實驗室推出AI大型型「風烏」,國家氣象中心應用「風烏」和「盤古」在杜蘇苪預報,兩者均表現優異。

7月23日,盤古調整了杜蘇苪預測,已預計偏向台灣,28日福建登陸,結果杜蘇苪進入巴士海峽後呂宋島北方滯留,28日奔向福建泉州登陸。「風烏」預報杜蘇苪路徑在前24小時的誤差值只有38.7公里,比ECMWF和美國國家環境預報中心(NCEP)還要凖確。

氣候變化之下,極端天氣破壞力驚人,精凖天氣預報愈來愈重要。一直以來,全球氣象預測,奉NWP天氣模型預報為圭臬,所以靠超級電腦運算,成本耗電非常驚人。

天氣變化乃根據物理學定律,預測天氣要從大氣變化方程式求解,礙於變數太多和運算過於複雜,超級電腦以數值方法,模擬運算天氣變化作預測,統稱為「數值天氣預報」(NWP)。

ECMWF
ECMWF位於意大利博洛尼亞市的超級電腦中心,速度歐洲排行第二,利用水冷設計,電力成本驚人。

數值預報開到荼蘼

NWP涉及複雜運算,然而越是精細、覆蓋範圍越大的模型,所需運算時間越長,算力要求更大。意大利博洛尼亞市ECMWF營運的Atos超級電腦,為歐洲最強用於氣象預測的超級電腦,數據中心規模宏大,節點達到1872個,速度全球排行第4。

超級電腦發展一日千里,大大提高預報凖確度,模型內的網格(Grid)面積愈細,計算凖確度愈高,對算力要求愈大。ECMWF超級電腦的網格縮小至9平方公里,大氣分成一百多層。網格每縮小一倍,算力要增加8倍。全球最快超級電腦Oak Ridge National Laboratory內Exascale級Frontier,網格降至1公里,算力要9.3 exaflops,功耗21兆瓦,成本驚人。

不過,即使網格再縮小,超級電腦再快,大氣預測數學上屬「混沌系統」(Chaotic system),即以數值方法模擬運算,輸入數值只要有少許差異,放大之後,差之毫釐,謬之千里,結果大相徑庭,此又稱為「蝴蝶效應」(Butterfly effect),數值預報會受起始值誤差放大的影響,隨預測時間加長,準確度大幅下降。

小範圍預測成行成市

長期預測困難重重,短期小範圍的預測,卻往往有利可圖,加上公有雲降低創業成本,又有超級電腦提供,氣象數據免費公開,不少初創業提供小範圍、小網格和短期的預測業務應運而生。

2016年,IBM收購The Weather Company,專注於出售在小範圍2至12小時內預報,成為全球最大的氣象預測供應商。短期預報的成本低,公營天氣又專注長期預報,難以做到短期的精確度。短期預測可參考氣象預測作調整,幾乎是立於不敗之地。疫情後,物流速遞業增長迅速,再生能源以光伏和風能發電,農業受極端氣候影響收割售價,加上保險、運輸、體育運動盛事,任何望天打卦的行業,氣象預報有價有市。

杜蘇芮
7月21日杜蘇芮生成,香港天文臺發出路徑預報,登陸華東或是華南都存有一定可能性,可見預報之難。

AI成本小收獲大

近年發射衛星成本下降,發射私人氣象衛星也成為一門生意。上月美國Tomorrow.io再發射氣象衛星R2,蒼穹之上蒐集數據,補充缺乏氣象數據地區的預測能力。

今年,中國再發射兩枚氣象衛星,氣象數據愈來愈多,供訓練數據更多,真正改變氣象預測,卻可能還是AI。氣象圖配合多維度數據,透過多模態和多任務深度學習構建的大模型;可進一步提高如「風烏」和「盤古」大模型預測凖確度,生成式AI應用還有無限可能。

生成式AI從歷史數據,推算氣象連鎖影響,推薦預防措施。Tomorrow.io推出生成式AI工具Gale,向農民發出指引何時收割農作物以減少損失。美國初創Salient亦以非傳統數據透露機器學習,可發出季度天氣預測。Salient不靠物理定律,通過不同現象,甚至看似不相關數據如海水鹽度,就可作長期預測。

風烏
「風烏」在24小時前預測杜蘇苪路徑,與實際相當吻合,前3日至5日前颱台預測路徑,經巴士海峽及呂宋島北部,非常凖確。ECMWF數據顯示23日「盤古」預計颱風偏台,28日登陸福建漳州至廈門,亦與ECMWF預報吻合。

AI成本遠低NWP

AI預測會比NWP優勝,幾乎已成公論。Google旗下DeepMind的GraphCast在60秒內生成10天預測,「風烏」以單片GPU在30秒預測10天,凖確度更勝GraphCast。較早前,輝達(NVIDIA)推出了FourCastNet氣象模型,號稱2秒建立7天預測,實測中FourCastNet預測結果仍比ECMWF預測系統IPS,凖確度相差很遠,擁有算力不一定就是贏家。

第19屆世界氣象大會上ECMWF承認,盤古以43年天氣數據訓練的深度神經網絡,首次在精度上媲美NWP的IPS預報,並擺脫了數學物理約束,同時解決迭代誤差的積累,首創的三維神經網絡,針對3D氣象數據,預測能力獲得突破。有關盤古模型可參考ECMWF網站:https://reurl.cc/OvLlg3

ECMWF與輝達、Google和華為合作,以AI補充NWP不足,以大模型改變天氣預測,而國產大模型正走在天氣預測的前沿。

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