人工智能應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

趙澤皓 孔譽(yù)旋

摘 要：自20世紀(jì)50年代提出人工智能以來(lái)，在70年代后期就有人提出將人工智能引入氣象領(lǐng)域，以推動(dòng)氣象事業(yè)的發(fā)展。隨著近幾年人工智能的迅速發(fā)展，以及氣象與人們的衣食住行聯(lián)系得越來(lái)越緊密，人工智能已經(jīng)迅速滲透到人們的生活中，并逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞健Ｒ虼?，利用人工智能改善氣象領(lǐng)域的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)服務(wù)逐漸成為氣象行業(yè)和社會(huì)大眾的迫切需求。

關(guān)鍵詞：氣象;人工智能;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：P409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0148-03

Current situation and Development Trend of Artificial Intelligence Applied

in Meteorological Service in Foreign Countries

ZHAO Zehao1，2 KONG Yuxuan1，2

（1.Xinyang Meteorological Service，Xinyang Henan 464000;

2. Henan Xinxian Capital Experimental School，Xinxian Henan 465550）

Abstract： Since artificial intelligence was put forward in the 1950s， it has been proposed to introduce artificial intelligence into the field of Meteorology in the late 1970s to promote the development of meteorology. With the rapid development of artificial intelligence in recent years， as well as the increasingly close relationship between weather and people's clothing， food， housing and transportation， artificial intelligence has rapidly penetrated into people's lives， and gradually changed people's lifestyle. Therefore， the use of artificial intelligence to improve the forecast service in the field of Meteorology has gradually become an urgent demand of the meteorological industry and the public.

Keywords： weather;artificial intelligence;developing trend

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人類對(duì)簡(jiǎn)便快捷的生活方式需求越來(lái)越高，而這促進(jìn)了各種高科技材料和技術(shù)的發(fā)展。其次，在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，人類對(duì)生存環(huán)境的要求也越來(lái)越高。這對(duì)現(xiàn)有氣象服務(wù)范圍和研究?jī)?nèi)容提出了更高的要求。而將人工智能應(yīng)用于氣象服務(wù)，有利于提升氣象服務(wù)質(zhì)量。本文主要探討國(guó)外人工智能應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 人工智能、氣象學(xué)發(fā)展

人工智能（Artificial Intelligence，AI），是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，試圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器[1]。

氣象學(xué)是研究氣象變化特征和規(guī)律的學(xué)科。氣象是大氣的各種物理、化學(xué)狀態(tài)和現(xiàn)象——冷、熱、干、濕、風(fēng)、云、雨、雪、霜、雷電等的統(tǒng)稱[2]。天氣預(yù)報(bào)或氣象預(yù)報(bào)是使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)未來(lái)某一地點(diǎn)地球大氣層的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從史前人類起，就開始對(duì)天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)，以使人們根據(jù)相應(yīng)的天氣安排工作與生活?，F(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)主要是使用收集大量的數(shù)據(jù)（氣溫、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、氣壓等），然后使用目前對(duì)大氣過(guò)程的認(rèn)識(shí)（氣象學(xué)）來(lái)確定未來(lái)空氣變化，對(duì)水利電力、民航運(yùn)輸?shù)炔块T工作的開展具有重要影響。

2 人工智能現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

在人工智能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面，歐美處于世界領(lǐng)先水平。美國(guó)充分認(rèn)識(shí)到人工智能的戰(zhàn)略意義，一直注重該技術(shù)的研發(fā)，從國(guó)家戰(zhàn)略層面開始加緊布局，卓越的技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)為人工智能的發(fā)展奠定了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，取得了大批令人矚目的研發(fā)成果。2016年，美國(guó)抓緊對(duì)人工智能的研發(fā)公布了多項(xiàng)規(guī)劃，尤其值得關(guān)注的是，2016年10月，美國(guó)國(guó)家科技委連續(xù)發(fā)布了兩個(gè)重要戰(zhàn)略文件，即《為人工智能的未來(lái)做好準(zhǔn)備》和《國(guó)家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》，并將人工智能上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，為美國(guó)人工智能的發(fā)展制定了宏偉的計(jì)劃和發(fā)展藍(lán)圖[3]。美國(guó)領(lǐng)跑人工智能發(fā)展潮流，在戰(zhàn)略層面上高度重視。同時(shí)，資本與政策共同發(fā)力，挖掘最具潛力的創(chuàng)業(yè)企業(yè)。IBM五大巨子為代表自覺(jué)構(gòu)成人工智能伙伴關(guān)系，通過(guò)合作的方式推進(jìn)推動(dòng)人工智能的鉆研和推廣。這種新型的巨頭集團(tuán)式發(fā)展模式，成為人工智能時(shí)代的亮點(diǎn)，能保證技術(shù)方案的效益最大化。在未來(lái)，還有更多企業(yè)和機(jī)構(gòu)加入，其中用戶組織、非營(yíng)利組織、倫理學(xué)家和其他盈利相關(guān)者都會(huì)圍繞生態(tài)圈進(jìn)行更大范圍的研究和開發(fā)。英國(guó)人工智能發(fā)展與行業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合，注重使用價(jià)值，注重時(shí)效性，強(qiáng)調(diào)“綜合施治、合力發(fā)展”。在產(chǎn)學(xué)研的轉(zhuǎn)換周期上，更加快速落地。德國(guó)政府在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的初級(jí)階段發(fā)揮著重要作用，其后，產(chǎn)業(yè)需求引領(lǐng)工業(yè)機(jī)器人向智能化、輕量化、靈活化和高能效化方向發(fā)展。2012年，德國(guó)推行了以“智能工廠”為重心的“工業(yè)4.0計(jì)劃”，工業(yè)機(jī)器人推動(dòng)生產(chǎn)制造向靈活化和個(gè)性化方向轉(zhuǎn)型。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，在世界各國(guó)緊鑼密鼓地制定人工智能發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，中國(guó)也正抓住這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，陸續(xù)出臺(tái)了人工智能相關(guān)的發(fā)展政策，并將人工智能上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。此外，國(guó)家在人工智能人才培養(yǎng)政策上持續(xù)發(fā)力，建設(shè)人工智能學(xué)院的高校數(shù)量急劇增加。近年來(lái)，各高校培養(yǎng)了一批人工智能相關(guān)人才，人才團(tuán)隊(duì)也逐漸壯大。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的人工智能研究起步晚，但隨著國(guó)家政策的大力支持及科技、制造等業(yè)界巨大的布局深入，人工智能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，中國(guó)在機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)三個(gè)領(lǐng)域竟然顯著，具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，人工智能的浪潮席卷了全球，人工智能領(lǐng)域的公司也在不斷集中。到2016年初，全球共有957家人工智能公司;2015年，全球人工智能市場(chǎng)規(guī)模達(dá)74.5億美元，預(yù)計(jì)2017年到2020年間為107億～183億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率保持約為20%。2015年，我國(guó)人工智能市場(chǎng)規(guī)模12億元，2017年到2020年為27億～91億元人民幣，復(fù)合年增長(zhǎng)率保持約為50%。由于世界各國(guó)的整體人工智能技術(shù)水平、法律法規(guī)以及各自的資源都存在著很大不同，因此各國(guó)人工智能政策的關(guān)注重點(diǎn)都各有特色。美國(guó)的人工智能政策著眼于應(yīng)對(duì)人工智能蓬勃發(fā)展的大趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)布局也相對(duì)完善，基礎(chǔ)層、技術(shù)層和應(yīng)用層都有涉及;中國(guó)的人工智能政策在初期偏向于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，因此相關(guān)產(chǎn)業(yè)主要集中于應(yīng)用層;日本側(cè)重于建立相對(duì)完整的人工智能研發(fā)促進(jìn)機(jī)制;歐盟相對(duì)關(guān)注人工智能所帶來(lái)的倫理和道德問(wèn)題。當(dāng)前，在國(guó)家政策的推動(dòng)下，人工智能日益成為引領(lǐng)世界未來(lái)的戰(zhàn)略性技術(shù)，越來(lái)越多的國(guó)家制定了發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，人工智能競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，最終結(jié)果也將直接影響未來(lái)國(guó)際格局演變的進(jìn)程。

3 我國(guó)氣象部門人工智能服務(wù)現(xiàn)狀

3.1 人工智能應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)總體設(shè)計(jì)工作逐步展開

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)人工智能等新興技術(shù)不斷發(fā)展，為氣象現(xiàn)代化水平提升提供了契機(jī)。為了加快智慧氣象服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，國(guó)家氣象中心自2013年起與清華大學(xué)軟件學(xué)院就預(yù)報(bào)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用展開合作，并取得一定成果。國(guó)家氣象中心一直在推進(jìn)人工智能在氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)在全國(guó)26個(gè)省市進(jìn)行部署。

3.2 人工智能工作得到進(jìn)一步加強(qiáng)

人們正逐步從小數(shù)據(jù)時(shí)代向大數(shù)據(jù)時(shí)代邁進(jìn)，大數(shù)據(jù)改變了人們的生活，也給人們帶來(lái)了某種安全威脅。氣象部門基于氣象“專有云+公共云”，部署橫向集成、縱向貫通、開放共享、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，構(gòu)建“一級(jí)集約，兩級(jí)部署，互聯(lián)一體”的全國(guó)氣象大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)布局。在“國(guó)家-省”兩級(jí)層面構(gòu)建了氣象大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、氣象大數(shù)據(jù)核心技術(shù)系統(tǒng)、氣象大數(shù)據(jù)智能應(yīng)用系統(tǒng)等，并構(gòu)建了集觀測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)、科研、管理、培訓(xùn)于一體的氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，在助力智慧氣象發(fā)展方面已經(jīng)取得了很大成就[4]。

4 人工智能氣象業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 氣象與人工智能結(jié)合越來(lái)越緊密

人離不開天氣，離不開大自然。人們就生活在大自然中，每天呼吸空氣，感受陰晴冷暖。如果沒(méi)有自然環(huán)境，人們就無(wú)法生存。生存在這樣的環(huán)境中，人們就要更加適應(yīng)這個(gè)環(huán)境，即了解其變化。由此，人們就要知道天氣，就要做天氣預(yù)報(bào)。我國(guó)幅員遼闊，天氣復(fù)雜多變。氣象的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)或者預(yù)測(cè)，在指導(dǎo)農(nóng)作物生產(chǎn)或者人們生活中都具有重要作用。而基于大數(shù)據(jù)的人為活動(dòng)數(shù)據(jù)去分析當(dāng)前最需要的氣象信息，去提供服務(wù)，這就是實(shí)際需求和人工智能的問(wèn)題。

4.2 人工智能氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)將不斷加強(qiáng)

目前，人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器翻譯、智能控制、專家系統(tǒng)、機(jī)器人學(xué)、語(yǔ)言和圖像理解、遺傳編程機(jī)器人工廠、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、航天應(yīng)用、巨量信息處理、儲(chǔ)存與管理及人類無(wú)法執(zhí)行的或復(fù)雜或規(guī)模龐大的任務(wù)等[5]。

實(shí)際上，人工智能早已被應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，如天氣預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)、智能天氣信息采集系統(tǒng)、智能預(yù)報(bào)系統(tǒng)、智能氣象信息發(fā)布系統(tǒng)及天氣預(yù)報(bào)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在氣象領(lǐng)域，有智能控制、專家系統(tǒng)、圖像理解、自動(dòng)化程序設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存與管理等與人工智能相關(guān)。

4.3 國(guó)內(nèi)與國(guó)際結(jié)合越來(lái)越緊密

從20世紀(jì)90年代，IBM就與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局合作，幫助政府開發(fā)短期天氣預(yù)報(bào)模式。2015年初，隨著大西洋颶風(fēng)季的到來(lái)，IBM曾與天氣公司聯(lián)合推出城市災(zāi)害管理解決方案，利用智能分析特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)為人們提供更準(zhǔn)確的自然災(zāi)害預(yù)測(cè)。近年來(lái)，俄羅斯Yandex在利用人工智能開展短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)更新小尺度區(qū)域天氣提升用戶體驗(yàn)方面花了很大力氣。Yandex.Weather制作天氣預(yù)報(bào)的核心技術(shù)是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Yandex.Meteum，其可以將搜集來(lái)的雷達(dá)圖像及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。當(dāng)Yandex用戶查看天氣預(yù)報(bào)時(shí)，Yandex.Meteum會(huì)向Yandex.Weather應(yīng)用程序界面發(fā)起請(qǐng)求，并將用戶位置發(fā)送給它。Yandex.Weather開始搜集被請(qǐng)求區(qū)域的相關(guān)天氣數(shù)據(jù)，并通過(guò)Yandex.Meteum將該用戶習(xí)慣和所在地服務(wù)數(shù)據(jù)混合計(jì)算，計(jì)算出未來(lái)數(shù)小時(shí)內(nèi)的天氣情況，并將精確產(chǎn)品信息發(fā)送給用戶。整個(gè)過(guò)程會(huì)在一秒之內(nèi)完成。中國(guó)的“CLDASV2.0”產(chǎn)品為覆蓋亞洲區(qū)域（0～65°N，60～160°E），0.062 5°×0.062 5°與1小時(shí)分辨率的等經(jīng)緯度網(wǎng)格融合分析產(chǎn)品，包括大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)品、地表溫度分析產(chǎn)品、土壤濕度產(chǎn)品、土壤溫度分析產(chǎn)品和土壤相對(duì)濕度分析產(chǎn)品等5種產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)集利用多種來(lái)源地面、衛(wèi)星等觀測(cè)資料，采用多重網(wǎng)格變分同化、最優(yōu)插值、概率密度函數(shù)匹配、物理反演、地形校正等技術(shù)研制而成，在中國(guó)區(qū)域質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品，且時(shí)空分辨率更高，實(shí)時(shí)產(chǎn)品實(shí)時(shí)更新發(fā)布，滯后1h。

4.4 人工智能氣象業(yè)務(wù)將逐步形成

人工智能經(jīng)過(guò)60年的低谷和高峰的沉淀，已經(jīng)逐步滲透到人們的生活，且逐步改變著人們的生活。阿爾法狗和李世石的圍棋對(duì)戰(zhàn)讓人工智能的成果更加直接地呈現(xiàn)給人們。實(shí)際上，人工智能早已在氣象領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如，智能天氣信息推送、各種模式的專家系統(tǒng)、智能預(yù)報(bào)等等。氣象領(lǐng)域涉及人工智能的智能控制、專家系統(tǒng)、巨量信息處理、儲(chǔ)存與管理等多種應(yīng)用領(lǐng)域。各國(guó)氣象局都在積極提升氣象業(yè)務(wù)的自動(dòng)化程度，人工智能時(shí)代的氣象業(yè)務(wù)將指日可待。

5 結(jié)語(yǔ)

人工智能在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)起步，未來(lái)其應(yīng)用將會(huì)不斷加深。為了取得良好的預(yù)報(bào)服務(wù)效果，有效借助人工智能的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、多災(zāi)種天氣預(yù)警能力、產(chǎn)品制作以及決策服務(wù)能更好地進(jìn)行分析，但天氣氣候系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)部極其復(fù)雜的具有多個(gè)不穩(wěn)定源的高階非線性系統(tǒng)，其內(nèi)部的相互作用也能導(dǎo)致隨機(jī)性和復(fù)雜性，所以輸入、輸出、邊界值、初始值、物理機(jī)制都不是確定的，人工智能需要更高階的算法。但人工智能在氣象領(lǐng)域的發(fā)展是不可阻擋的，是氣象事業(yè)進(jìn)階的機(jī)遇，亦是人工智能技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛杰，鄒奕成.人工智能的發(fā)展現(xiàn)狀及其難點(diǎn)問(wèn)題分析[J].科教導(dǎo)刊（電子版），2016（8）：138.

[2]劉紅霞.氣象因子對(duì)華北落葉松生長(zhǎng)量影響研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[3]謝威.基于觸覺(jué)信息的人機(jī)交互接觸狀態(tài)模式識(shí)別算法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2017.

[4]韓鑫強(qiáng)，薛蕾，王博.新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)流重傳機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象科技進(jìn)展，2018（1）：117-122.

[5]蘇德中.多維度提升生活幸福指數(shù)“互聯(lián)網(wǎng)+”[J].互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)，2015（4）：52-57.