科學(xué)家利用AI提高預(yù)測準(zhǔn)確率

機(jī)器學(xué)習(xí)是氣象學(xué)家 Dale Durran 開創(chuàng)性工作中的“最新助手”。

Dale Durran 熱衷于在看似無序的地球天氣中尋找規(guī)律——他在自家的前門外豎起了一三英尺長的金屬環(huán)（如上面的視頻所示），里面持續(xù)下著隨機(jī)的“雨滴”。

作為華盛頓大學(xué)全職大氣科學(xué)教授和兼職雕塑家，Durran 與他人合著了幾十篇研究地球氣候變化規(guī)律的論文。氣候變化研究領(lǐng)域?qū)儆诳释邮芨唠y度挑戰(zhàn)，試圖用數(shù)學(xué)來詮釋氣候變化的人們。

2019 年，Durran 獲得了 AI 作為新的工具。他與兩名研究生和微軟研究員合作，共同構(gòu)建了第一個模型，用來證明深度學(xué)習(xí)在預(yù)測天氣方面的潛力。

雖然粗糙，但該模型的表現(xiàn)優(yōu)于首次基于計算機(jī)預(yù)測時所使用的復(fù)雜方程。這些方程的“后代”目前都在全球最大的超級計算機(jī)上運(yùn)行。相比之下，AI 減輕了傳統(tǒng)的計算負(fù)載并且能夠在更小的系統(tǒng)上工作得更快。

Durran 回憶道：“我們深受啟發(fā)，并開始全身心投入到這個領(lǐng)域?！?/p>

AI 的光明前景

去年，該團(tuán)隊將工作提升到了新的水平。他們的最新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借助 NVIDIA DGX Station 內(nèi)置的四個 NVIDIA A100 Tensor Core GPU，能夠在不到一分鐘的時間內(nèi)處理 320 個六周預(yù)報。這比現(xiàn)今超級計算機(jī)為預(yù)測天氣而合成的 51 個預(yù)報還要多 6 倍以上。

此項技術(shù)的快速發(fā)展使該模型幾乎能夠像傳統(tǒng)方法一樣預(yù)測 2017 年颶風(fēng)“艾爾瑪”穿過加勒比海的路徑，還能在 0.1 秒內(nèi)依靠單個 NVIDIA V100 Tensor Core GPU 做出一周的預(yù)報。

Durran 的最新工作是使用 AI 更高效地預(yù)測颶風(fēng)“艾爾瑪”在佛羅里達(dá)州的路徑，而且?guī)缀鹾蛡鹘y(tǒng)方法一樣準(zhǔn)確。

Durran 預(yù)計，AI 可以同時處理數(shù)以千計的預(yù)測，以比傳統(tǒng)方程更少的資源消耗提供更為清晰的統(tǒng)計圖。有人認(rèn)為其性能將提升高達(dá)五個數(shù)量級，而功耗卻微乎其微。

AI 獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)

下一個重點(diǎn)是從根本上拓寬氣象觀察員的視野。

Durran 認(rèn)為 AI 模型可以做到如今的預(yù)測所使用的復(fù)雜方程無法輕松處理的、日益豐富的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，例如云層模式、土壤濕度和植物的干旱壓力等細(xì)節(jié)。

Durran 的研究生希望在今年冬天展示可以直接獲取全球云層衛(wèi)星數(shù)據(jù)的 AI 模型。如果進(jìn)展順利，這將為 AI 指明方向，即利用從太空采集的大量數(shù)據(jù)類型提高預(yù)測準(zhǔn)確性。

在另一項工作中，華盛頓大學(xué)的研究人員正在使用深度學(xué)習(xí)將天文學(xué)家用來追蹤恒星的網(wǎng)格應(yīng)用于大氣層研究工作。Durran 表示，這種新穎的網(wǎng)格有助于開發(fā)出全新的天氣預(yù)報方式。

收獲的季節(jié)

在近 40 年的教育工作中，Durran 指導(dǎo)了數(shù)十名學(xué)生并編寫了兩本關(guān)于如何通過數(shù)學(xué)來了解天氣和氣候的流體動力學(xué)教科書，書籍獲得了很高的評價。

他的學(xué)生 Gretchen Mullendore 目前是美國國家大氣研究中心實驗室的負(fù)責(zé)人，Gretchen Mullendore 與頂尖的研究者合作，改進(jìn)天氣預(yù)報模型。

Mullendore 表示：“我很幸運(yùn)能在 20 世紀(jì)末到 21 世紀(jì)初的這段時間與 Dale 一起使數(shù)值天氣預(yù)報能夠適應(yīng)當(dāng)時最新的硬件，我非常感謝有這樣一位老師帶我領(lǐng)略科學(xué)和計算機(jī)的魅力?！?/p>

代代相承

Durran 將在 1 月獲得 Jule G. Charney 獎?wù)拢@是美國氣象學(xué)會的最高榮譽(yù)。該獎?wù)乱钥茖W(xué)家 Jule G. Charney 的名字命名，Jule G. Charney 與 John von Neumann 合作，在 20 世紀(jì) 50 年代開發(fā)出天氣預(yù)報員至今仍在使用的算法。

最早關(guān)于全球變暖的科學(xué)論文出現(xiàn)在 1979 年，Charney 是其中的作者之一。Durran 跟隨他的腳步為《華盛頓郵報》撰寫了兩篇社論，幫助廣大讀者了解氣候變化和二氧化碳排放增加所帶來的影響。

這兩篇社論文章介紹了 Durran 在 1976 年第一份工作中培養(yǎng)的興趣——創(chuàng)建關(guān)于空氣污染趨勢的計算機(jī)模型。在談到為何投身于氣象學(xué)時，Durran 表示：“我更愿意在這個領(lǐng)域的前端工作。”

這個因具有“蝴蝶效應(yīng)”而眾所周知的領(lǐng)域激勵著他繼續(xù)推動科學(xué)的進(jìn)步。

審核編輯 ：李倩