轉(zhuǎn)載于 中國氣象報(bào)

今年春天，ChatGPT引領(lǐng)的人工智能（AI）風(fēng)暴已經(jīng)成為一個(gè)新風(fēng)口，相信氣象領(lǐng)域從業(yè)人員不可能無動(dòng)于衷。當(dāng)人工智能、大數(shù)據(jù)“起飛”，在這個(gè)“風(fēng)口”上，地球系統(tǒng)模式會(huì)有哪些變化？

回顧從大氣環(huán)流模式到地球系統(tǒng)模式的發(fā)展歷史，有助于更好地理解未來發(fā)展趨勢。早在20世紀(jì)初，威廉·皮葉克尼斯（Vilhelm Bjerknes）就提出，要把天氣預(yù)報(bào)作為數(shù)學(xué)物理問題來考慮；1922年，路易斯·理查森（Lewis Fry Richardson）用數(shù)值計(jì)算的方法嘗試制作天氣預(yù)報(bào)；1950年，朱爾·查尼（Jule Charney）等做出了世界上第一張可用的500百帕形勢預(yù)報(bào)圖。

1946年2月15日，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“埃尼阿克”誕生后不久，馮·諾曼等人提議美國軍方將計(jì)算機(jī)用于天氣預(yù)報(bào)。1950年馮·諾曼領(lǐng)導(dǎo)下的普林斯頓高等研究院研制出世界上第一個(gè)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式。從此，天氣預(yù)報(bào)（氣候系統(tǒng)模擬）就一直是巨型超級計(jì)算機(jī)的最大用戶之一。

可以說，現(xiàn)在人類能夠在全球尺度上模擬地球系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制、揭示地球系統(tǒng)整體演變規(guī)律、預(yù)測未來變化，主要得益于兩方面：一是高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，一是氣候系統(tǒng)觀測系統(tǒng)的推動(dòng)。未來的地球系統(tǒng)模式發(fā)展趨勢也漸漸明朗，將在物理氣候系統(tǒng)模式基礎(chǔ)上耦合生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程，同時(shí)走向“高時(shí)空分辨率”，即不斷提高模式的空間分辨率，能夠描述更精細(xì)的科學(xué)問題。

大數(shù)據(jù)與人工智能正在引發(fā)一場深刻的地球系統(tǒng)科學(xué)研究范式的革命。近年來，大數(shù)據(jù)與人工智能的應(yīng)用研究呈爆發(fā)性增長，有力促進(jìn)了地球系統(tǒng)的機(jī)理、模擬和預(yù)測研究。人工智能與數(shù)值預(yù)報(bào)的融合也成為熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

清華大學(xué)地學(xué)系開展了大量AI for Earth的探索，比如利用AI方法構(gòu)建全球90米海陸DEM數(shù)據(jù)集，識別極端天氣事件的“E級（百億億次）”深度學(xué)習(xí)，基于熱帶中尺度對流系統(tǒng)（MCS）數(shù)據(jù)集的二分類問題以及三維海洋要素?cái)?shù)據(jù)集智能重構(gòu)等。

我們將人工智能算法與氣候預(yù)測相結(jié)合，構(gòu)建智能氣候預(yù)測技術(shù)系統(tǒng)，即以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為前提，在通過機(jī)器學(xué)習(xí)和常規(guī)方法進(jìn)行客觀定量預(yù)測的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能評估，繼而動(dòng)態(tài)推薦預(yù)測結(jié)果。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，海量數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)、復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步應(yīng)用，人工智能為氣候預(yù)測提供了一種解決難題的新思路。可以用人工智能算法把超級計(jì)算機(jī)的預(yù)報(bào)結(jié)果盡可能地、自動(dòng)地、不用人工干預(yù)地修正到與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)更接近，以促進(jìn)延伸期-月-季氣候預(yù)測能力和準(zhǔn)確率逐步提高。

過去一般有這樣的看法——把基于經(jīng)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)能做的“吃干用盡”，榨干“油水”，人工智能的應(yīng)用就到頭了。比如人工智能應(yīng)用雖然發(fā)展很快，但可能有上限；人工智能原則上基于經(jīng)驗(yàn)，基于大數(shù)據(jù)，就跟依據(jù)老寒腿預(yù)報(bào)天氣、跟看云識天氣是一樣的，缺乏物理機(jī)制；如果人工智能計(jì)算能力跟物理模型無限接近，估計(jì)人工智能可能就到頭了，接近上限等等。

但最近大家看到，ChatGPT等“生成式”人工智能模型擁有強(qiáng)大的內(nèi)容生成能力和接近人類水平的“聰明”程度，說明情況已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的變化。生成式AI雖然也需要提前進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，然而它新生成的內(nèi)容很多是訓(xùn)練數(shù)據(jù)中從未出現(xiàn)過的，也就是它進(jìn)行了創(chuàng)造性的再創(chuàng)作。在計(jì)算技術(shù)和AI的強(qiáng)大“攻勢”下，退守到“物理機(jī)制”這一最后的小島還有多久？

總的來說，深度學(xué)習(xí)給地球系統(tǒng)科學(xué)研究帶來新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。機(jī)遇包括更準(zhǔn)的目標(biāo)識別、更高的預(yù)測能力、更快的預(yù)測效率，挑戰(zhàn)涵蓋可解釋性、物理一致性、求解PDE方程、有限的樣本和巨大的算力需求等。人工智能進(jìn)入地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，從沖突、融合到替代的過程是否會(huì)發(fā)生？地球系統(tǒng)模式是否能夠從以物理學(xué)為基礎(chǔ)，發(fā)展到以物理學(xué)為基礎(chǔ)的機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)而進(jìn)入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理驅(qū)動(dòng)混合的階段，最終形成完全由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能地球系統(tǒng)模式？若每天都有進(jìn)步，或許可拭目以待。（本報(bào)記者趙曉妮整理報(bào)道）

作者：專家：清華大學(xué)理學(xué)院副院長、地球系統(tǒng)科學(xué)系主任、教授羅勇