美國微軟公司將正在開發(fā)的大氣科學(xué)類人工智能（AI）模型正式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。該模型名為Aurora，除了能進(jìn)行高分辨率天氣預(yù)報(bào)，研究團(tuán)隊(duì)還展示了其能更準(zhǔn)確和高效地預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量、熱帶氣旋路徑和海浪動(dòng)力學(xué)。

“這是一個(gè)面向地球系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型，能夠處理多種預(yù)測(cè)任務(wù)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)在5月21日晚間在線發(fā)表于《自然》上的論文中寫道，受到其他領(lǐng)域基礎(chǔ)模型近期成功案例的啟發(fā)，我們首次讓Auror經(jīng)過了100萬小時(shí)以上多樣化地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練。

毫無疑問，在自然災(zāi)害、極端天氣等日益頻發(fā)的背景下，出色的“預(yù)報(bào)員”顯得更為重要。地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)往往能提供多種過程的信息，例如天氣、空氣質(zhì)量、洋流、海冰和颶風(fēng)等，這是對(duì)極端事件做出早期預(yù)警的必要工具。

然而，研究團(tuán)隊(duì)指出，這些預(yù)報(bào)依賴基于數(shù)十年數(shù)據(jù)的復(fù)雜模型，對(duì)算力要求很高，通常需要使用專門的超級(jí)計(jì)算機(jī)和專職工程團(tuán)隊(duì)來維護(hù)。同時(shí)，由于是大型團(tuán)隊(duì)經(jīng)年累月開發(fā)形成的復(fù)雜模型，其快速改進(jìn)難度大，且需要投入大量時(shí)間和專業(yè)知識(shí)才能有效管理。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)為解決這些問題提供了極具吸引力的工具箱。盡管這一概念早在20世紀(jì)90年代就被引入地球科學(xué)領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已開始應(yīng)用于各類地球預(yù)測(cè)問題。但AI技術(shù)在地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)中的使用尚未得到充分探索，重要的突破則出現(xiàn)于近兩年。

來自微軟研究院的人工智能首席研究員Paris Perdikaris等人尤其指出，2023年，盤古氣象大模型取得重大突破，其性能超越了最先進(jìn)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，由此掀起了一波基于人工智能的天氣預(yù)報(bào)模型研發(fā)浪潮。

2023年7月，同樣在《自然》雜志上，華為云盤古大模型研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了研究成果——《三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于精準(zhǔn)中期全球天氣預(yù)報(bào)》（《Accurate medium-range global weather forecasting with 3D neural networks》）。通過在43年的全球天氣數(shù)據(jù)上訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，盤古氣象大模型在精度和速度方面超越傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)測(cè)方法。盤古氣象大模型也是首個(gè)精度超過傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)方法的AI模型，速度相比傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)提速10000倍以上。

華為官網(wǎng)當(dāng)時(shí)寫道，這是近年來中國科技公司首篇作為唯一署名單位發(fā)表的《自然》正刊論文?！蹲匀弧穼徃迦艘矊?duì)該成果給予高度評(píng)價(jià)，“華為云盤古氣象大模型讓人們重新審視氣象預(yù)報(bào)模型的未來，模型的開放將推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。”

Aurora是一個(gè)擁有13億參數(shù)的地球系統(tǒng)基礎(chǔ)模型。圖摘自團(tuán)隊(duì)研究論文

Paris Perdikaris和同事此次報(bào)道的Aurora是一個(gè)經(jīng)過100萬小時(shí)以上地球物理數(shù)據(jù)訓(xùn)練的AI模型。研究顯示，Aurora 預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量、海浪、熱帶氣旋路徑和高分辨率天氣的表現(xiàn)超過了現(xiàn)有模型，且算力成本低于現(xiàn)有預(yù)報(bào)技術(shù)。

例如，在熱帶氣旋路徑預(yù)測(cè)方面，論文顯示，平均而言，Aurora在北大西洋和東太平洋的預(yù)測(cè)性能比其他7個(gè)預(yù)報(bào)中心優(yōu)20%，在西北太平洋上優(yōu)18%，澳大利亞地區(qū)優(yōu)24%。

研究團(tuán)隊(duì)提到2023年7月的超強(qiáng)“杜蘇芮”臺(tái)風(fēng)，該臺(tái)風(fēng)最終成為太平洋地區(qū)造成經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)，損失金額超過280億美元。研究團(tuán)隊(duì)稱，Aurora準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到“杜蘇芮”將在菲律賓北部登陸。

在實(shí)際應(yīng)用中，Aurora在熱帶氣旋預(yù)測(cè)方面的表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前最先進(jìn)的預(yù)測(cè)系統(tǒng)。圖摘自研究團(tuán)隊(duì)論文

值得關(guān)注的是，在Aurora基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)一系列下游任務(wù)的微調(diào)實(shí)驗(yàn)僅需4-8周時(shí)間，并且由小型工程師團(tuán)隊(duì)完成，而目前開發(fā)基線模型所需要的時(shí)間通常為好幾年。

研究團(tuán)隊(duì)也同時(shí)強(qiáng)調(diào)指出，這種加速進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)完全得益于數(shù)十年來傳統(tǒng)數(shù)值方法研究積累的龐大數(shù)據(jù)資源。

論文最后還提到，Aurora目前尚未觸及其性能天花板。作者們表示，Aurora是一個(gè)地球系統(tǒng)基礎(chǔ)模型，改造后或能用于天氣預(yù)報(bào)之外的用途。他們總結(jié)道，Aurora代表了高效地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)的一次進(jìn)展，顯示出AI技術(shù)在更廣泛獲取天氣和氣候信息方面的潛力。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09005-y