AI重构天气预报新图景
宁若杨
2025年05月06日 01:25
杨绚 曹勇
《光明日报》（ 2025年03月27日 16版）今春气温起伏颇大，刚还有人说“一天入夏”，马上寒流又来了。蓬勃发展的AI，对天气预报有没有用？
长期以来，天气预报主要依赖于传统的数值天气预报模型。随着AI技术的突破，气象领域开始应用AI技术提高天气预报以及气候预测水平。2023年，《科学》杂志将“AI辅助天气预报的发展”评为世界科学十大进展，同年我国主导的AI大模型在精细化天气预报中的应用，更被评为中国科学十大进展之首。这些里程碑既展现了大气科学与AI融合的潜力，也为应对极端天气和防灾减灾创造了新机遇。
应该说，全球气象领域正经历由AI驱动与传统模式并行的新格局。得益于大气科学数据质量优异、规模庞大且持续稳定增长的特点，天气预报已将AI技术视为新质生产力。自2022年起，英伟达、谷歌、微软等AI领军企业相继推出FourCastNet、GraphCast、NeuralGCM、GenCast等气象AI大模型，并在《自然》《科学》等顶级期刊发表成果，推动了AI技术在气象领域的快速发展。
我国在AI技术应用于天气预报方面，已跻身国际第一方阵。2024年，中国气象局启动了气象人工智能科技创新工程，组建了“雄安气象人工智能创新研究院”，并与清华大学、复旦大学及上海科学智能研究院联合发布“风清”“风雷”“风顺”三大AI系统，首次实现未来0～60天自主可控的无缝隙智能气象预报，标志着中国AI技术在天气预报领域产学研用一体化方面取得显著成果。
面向极端强降水天气，“风雷”系统首创物理引导与数据驱动混合架构，能够提供1公里分辨率，未来3小时短临强降水预报，该系统在国家气象中心强天气预报中心应用。“风清”大模型是融合AI技术与气象机理的全球中短期预报系统，其性能位于全球AI天气预报大模型第一梯队，“风清”系统以3分钟生成未来15天全球预报的速度，将核心要素有效预报时效提升至10.5天，在台风路径、暴雨、高温、寒潮等灾害性天气预报上展现出显著优势。
同年，中国气象局组织开展了人工智能天气预报大模型示范计划（下文简称“预报示范计划”，AIM-FDP），该计划面向全社会广泛征集天气预报大模型，实现模型-数据产品-评估全链条衔接，旨在打造权威天气预报大模型检验评估平台。其中，“风清”大模型在预报示范计划中排名前列。
在防灾减灾实战中，AI技术正转化为守护生命财产安全的利器。2024年第3号台风“格美”的精准预测成为典型案例——“风清”大模型提前5天锁定台风登陆路径，准确预报出横跨华南、华东、东北三大区域的弧状暴雨带。2024年我国共出现41次大范围降水过程，其中18次强度达到强等级，4次达到特强等级，其中一次特强等级暴雨过程就是台风“格美”带来的。“格美”台风引发的跨区域强降雨中，“风清”大模型不仅准确捕捉广东、湖南等核心降雨区，还对山东、辽宁等外围暴雨中心实现精准定位，为台风灾害防灾减灾争取到关键决策窗口。
人工智能的快速发展为突破现有天气预报瓶颈提供了新的契机，但前沿的基础科技仍面临挑战。
当前AI气象模型面临双重挑战：一是物理可解释性困局，现有“黑箱”架构难以揭示大气系统内在机理，模型对参数调整的敏感性可能引发预报偏差。这是由于现有的AI模型框架尚未充分适应大气科学的时空复杂性特征，难以准确预测大气系统的物理行为。二是数据驱动的天然局限，极端天气事件本身具有小概率特性，其样本的稀缺直接导致模型对极端等灾害性天气的捕捉能力不足。
为进一步推动大气科学领域的AI应用发展，需以专项训练数据集构建为基础，强化算力支撑能力建设，并着力打造从观测端到预报端的一体化AI支撑平台。依托智算资源，构建既能解析大气物理规律、又能适应复杂时空特征的新型预报体系。这种技术融合范式，或将催生大气科学理论的新突破，为准确预报天气，尤其是灾害性天气开辟新的认知路径。
（作者：杨绚、曹勇，分别系国家气象中心天气预报技术研发室正高级工程师；主任）