伏羲大模型亮相：人工智能助力解決極端天氣預(yù)測難題
今年9月1日上午，復(fù)旦大學(xué)2023級新生開學(xué)典禮在光華樓前大草坪舉行，來自80個(gè)國家和地區(qū)的1.6萬余名新同學(xué)，齊聚光草，共赴這場青春盛會。
在此之前，上海已接連三日雨水不斷，當(dāng)人們以為第四天也如天氣預(yù)報(bào)所說“今天有雨”，只得取消室外活動時(shí)，復(fù)旦大學(xué)卻反其道而行之——近20年來首次舉辦戶外開學(xué)典禮。典禮進(jìn)行時(shí)陽光普照，校長金力道出緣由：“‘伏羲’說，今天上海不下雨。”
“伏羲”，全名為伏羲氣候氣象大模型，它融合了人工智能技術(shù)與氣候氣象科學(xué)，是行業(yè)內(nèi)首個(gè)次季節(jié)氣候大模型。隨著人工智能風(fēng)潮席卷全球，天氣與氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)正在加入到這場技術(shù)變革影響的行業(yè)之中，外界也期待人工智能將可以助力于解決和應(yīng)對氣候變化這一全球性問題。
今年11月30日到12月13日，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會（COP28）在阿聯(lián)酋迪拜舉行。12月8日下午，題為“氣候風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對：技術(shù)創(chuàng)新與金融支持”的國際研討會在迪拜世博城COP28綠區(qū)中國館舉行，會上發(fā)布了由上海科學(xué)智能研究院、復(fù)旦大學(xué)和中國國家氣候中心聯(lián)合研發(fā)的伏羲次季節(jié)大模型。與現(xiàn)有國際權(quán)威模型相比，伏羲次季節(jié)大模型的預(yù)報(bào)精度更準(zhǔn)、預(yù)報(bào)周期更長、運(yùn)行速度提升千倍。
在大會間隙，澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者專訪了打造這一大模型背后的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人——上海科學(xué)智能研究院院長、復(fù)旦大學(xué)“浩清教授”漆遠(yuǎn)，聽他講述了“伏羲”背后的故事。
更快更準(zhǔn)確
漆遠(yuǎn)教授早年于麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，是美國普渡大學(xué)計(jì)算機(jī)系和統(tǒng)計(jì)系終身教授。2014年回國擔(dān)任阿里巴巴副總裁，2015年加入螞蟻金服公司，創(chuàng)建并統(tǒng)領(lǐng)螞蟻金服人工智能團(tuán)隊(duì)，擔(dān)任螞蟻金服公司首席數(shù)據(jù)科學(xué)家。現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)長聘教授，從事深度學(xué)習(xí)、加強(qiáng)學(xué)習(xí)等人工智能領(lǐng)域的前沿研究和應(yīng)用。
“中國人有話說‘上知天文下知地理’，自古以來中國人對氣象就非常關(guān)心。今天，不管是長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展，還是短期效益，相關(guān)的經(jīng)濟(jì)，包括交通出行，都關(guān)乎氣候和氣象。所以我們認(rèn)為這個(gè)問題很重要。”漆遠(yuǎn)說道。
漆遠(yuǎn)表示，近年來他觀察到世界范圍內(nèi)在氣候變化領(lǐng)域呈現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)高度積累的趨勢。“這很有利于我們研發(fā)人工智能技術(shù)。另外我們也覺得人工智能技術(shù)或許可以在其中產(chǎn)生作用。
2023年11月中旬發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的研究顯示，由人工智能驅(qū)動的伏羲氣候氣象大模型可以提前15天預(yù)測全球天氣變化，比如氣溫、風(fēng)速和氣壓等天氣參數(shù)。該模型的預(yù)報(bào)精度優(yōu)于被譽(yù)為“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF），生成結(jié)果的速度也比傳統(tǒng)模型快千倍。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)對伏羲氣候氣象大模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，終于推出預(yù)測周期長達(dá)45天之久的伏羲次季節(jié)大模型。相較于伏羲中短期模型，三倍的預(yù)測周期時(shí)長充滿變數(shù)。于是，伏羲大模型先把隨機(jī)采樣引入與ChatGPT類似的Transformer架構(gòu)，再通過集合預(yù)報(bào)來反映次季節(jié)預(yù)測的不確定性。
伏羲次季節(jié)模型并不只以天氣預(yù)報(bào)為主要目的。“我們最近的工作，一方面是延長預(yù)測周期，另一方面是預(yù)測極端天氣事件。”漆遠(yuǎn)告訴澎湃新聞，氣候?yàn)?zāi)害預(yù)警正是該模型的另一重要價(jià)值所在。研究團(tuán)隊(duì)將預(yù)測期限從30天顯著增加到36天，盡早地預(yù)測潛在的極端天氣事件，為應(yīng)對和減緩措施爭取到更多時(shí)間。
在過去兩年里，人工智能天氣新模型層出不窮。除伏羲次季節(jié)大模型外，包括華為、谷歌、微軟和英偉達(dá)在內(nèi)的科技公司在人工智能天氣建模領(lǐng)域均取得突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。
今年10月31日，英國氣象局宣布將與英國艾倫圖靈研究所合作研發(fā)人工智能天氣預(yù)報(bào)模型，以提升部分極端天氣事件預(yù)報(bào)的精度。與此同時(shí)，谷歌在11月1日公布了名為MetNet-3的新天氣模型，該模型能夠以氣象傳感器的直接觀測數(shù)據(jù)為起點(diǎn)，對24小時(shí)內(nèi)的降水、氣溫等天氣參數(shù)進(jìn)行更加本地化的預(yù)報(bào)。
未知領(lǐng)域的探索
而伏羲次季節(jié)模型是人工智能天氣模型研發(fā)隊(duì)伍里的新成員。這些模型的工作原理不同于傳統(tǒng)的天氣模型。
傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)，比如由位于英國雷丁的歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心運(yùn)行的“歐洲”模型，是借助數(shù)學(xué)公式來描述大氣和海洋中空氣和水運(yùn)動的物理原理，以預(yù)測天氣系統(tǒng)的時(shí)空變化。由于這類數(shù)值天氣模型對計(jì)算能力有著極高要求，傳統(tǒng)模型不僅運(yùn)行昂貴且耗時(shí)，精度也常常受到限制。
人工智能天氣模型不必為數(shù)學(xué)公式“發(fā)愁”。漆遠(yuǎn)介紹道，這類模型首先需要接受訓(xùn)練，即識別大量歷史氣象數(shù)據(jù)中的模式。當(dāng)接收到最新氣象數(shù)據(jù)時(shí)，人工智能天氣模型通過應(yīng)用從歷史模式中習(xí)得的知識來完成預(yù)測。該過程的計(jì)算強(qiáng)度要小得多，并且可以在小型計(jì)算機(jī)上于幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)完成預(yù)測。
然而，一些科學(xué)家們?nèi)匀粚θ斯ぶ悄軠?zhǔn)確預(yù)測極端天氣事件的能力感到擔(dān)憂。全球變暖背景下，包括熱浪、干旱、野火和颶風(fēng)在內(nèi)的極端天氣事件不斷向極端靠攏。這意味著人工智能系統(tǒng)可能缺少足夠的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確模擬未來前所未有的極端情況。
“傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，針對少見、不尋常的事件來使用AI可能效果不佳。但它似乎在這方面確實(shí)做得很好，”谷歌DeepMind研究總監(jiān)彼得·巴塔利亞（Peter Battaglia）在接受《華盛頓郵報(bào)》采訪時(shí)表示，“我們認(rèn)為這也表明了一個(gè)事實(shí)：該模型正在學(xué)習(xí)和識別有關(guān)天氣如何隨時(shí)間演變的本質(zhì)，而不單是在數(shù)據(jù)中尋找流于表面的模式。”
由此，另一些科學(xué)家則認(rèn)為，人工智能模型在氣候變化方面的應(yīng)用還存在廣闊的未知領(lǐng)域有待探索。“人工智能模型可以幫助我們更好地理解人類和氣候變化，”漆遠(yuǎn)表示，“這是一個(gè)極具價(jià)值的研究方向。”
耗能還是綠色？
人工智能在應(yīng)對氣候變化上取得突破的希望源于該技術(shù)的數(shù)據(jù)分析能力。聯(lián)合國在迪拜氣候大會開幕當(dāng)天表示，其正與微軟合作研發(fā)一款可以監(jiān)測各國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程的人工智能工具，以確保全球不偏離逐步淘汰化石燃料的軌道。
漆遠(yuǎn)以光伏產(chǎn)業(yè)為例，強(qiáng)調(diào)了人工智能對可再生能源的推助作用，“如果你能精準(zhǔn)預(yù)測（各項(xiàng)天氣參數(shù)），比如八十米空中的風(fēng)速、明天是否陰雨，就可以預(yù)測光伏電站的發(fā)電量。”漆遠(yuǎn)認(rèn)為，人工智能可以通過精準(zhǔn)預(yù)測依賴天氣變化的可再生能源的波動來提高可再生能源的利用效率。
與此同時(shí)，據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，也有研究人員擔(dān)憂，訓(xùn)練和運(yùn)行人工智能所需要的計(jì)算能力和電力需求可能會導(dǎo)致大量碳排放。這種擔(dān)憂并非杞人憂天：據(jù)一項(xiàng)發(fā)表于《焦耳》（Joule）雜志的最新研究分析估計(jì)，截至2027年，全球人工智能系統(tǒng)的能源消耗量將相當(dāng)于瑞典的能源消耗總量。
漆遠(yuǎn)在接受采訪時(shí)表示，相較于傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，伏羲次季節(jié)大模型消耗的電力更少，“我們（伏羲次季節(jié)大模型）實(shí)現(xiàn)了千倍加速，僅憑一張GPU卡（圖形處理器）就可以跑起來。”此外，伏羲次季節(jié)大模型的規(guī)模比垂直領(lǐng)域其他氣候氣象大模型要小得多，為其提供動力所需的能源消耗因而更少。
另一方面，漆遠(yuǎn)認(rèn)為，使AI技術(shù)為應(yīng)對氣候危機(jī)創(chuàng)造的裨益多于其創(chuàng)造的額外能源需求是人工智能的努力方向。“如果能夠精準(zhǔn)預(yù)測，其實(shí)也能夠更好地幫助可再生能源的發(fā)展。”漆遠(yuǎn)說。
不單是助益可再生能源，人工智能還能惠及發(fā)展中國家，促進(jìn)氣候公平公正。“世界范圍內(nèi)真正有能力開發(fā)氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)的國家很少，”漆遠(yuǎn)表示，當(dāng)前天氣預(yù)測中心高度集中在發(fā)達(dá)國家和中國，“在人工智能的訓(xùn)練大門，當(dāng)僅憑一張卡就可以跑起來的時(shí)候，成本會非常便宜，發(fā)展中國家也可以使用它，一起享受人工智能在氣象系統(tǒng)中的效益。”
漆遠(yuǎn)介紹說，現(xiàn)在他們已經(jīng)在和上海氣象臺、國家氣候中心聯(lián)合研發(fā)部署。“希望能夠很快上線，在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮更大的作用。”
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