眾創(chuàng)機(jī)制帶給氣象青年人才的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
——對(duì)氣象干部培訓(xùn)學(xué)院“2022江蘇氣象AI算法挑戰(zhàn)賽”參賽團(tuán)隊(duì)的采訪

【編者語(yǔ)】

2022年5—8月，由江蘇省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、江蘇省氣象局作為指導(dǎo)單位,江蘇省氣象學(xué)會(huì)、江蘇省氣象臺(tái)和阿里云天池聯(lián)合組織了2022年江蘇氣象AI算法挑戰(zhàn)賽。此次挑戰(zhàn)賽以“AI助力強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)”為主題，旨在聚焦短臨強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，探索利用人工智能技術(shù)突破短臨預(yù)報(bào)關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸，推進(jìn)人工智能技術(shù)在氣象領(lǐng)域的學(xué)術(shù)合作、人才培養(yǎng)、技術(shù)交流以及多學(xué)科交叉融合應(yīng)用。這種不限年齡、國(guó)籍、職業(yè)與專業(yè)的新型眾創(chuàng)機(jī)制，既可以為短臨強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)技術(shù)提供新思路新方案，同時(shí)也為氣象青年人才創(chuàng)造了更多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院組成的團(tuán)隊(duì)，在這次競(jìng)賽中，從1874支參賽代表隊(duì)中脫穎而出，取得了第25名的好成績(jī)。本刊委托來(lái)自中國(guó)氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院的于丹和唐偉，對(duì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行采訪，共享這支朝氣蓬勃的青年教師隊(duì)伍通過(guò)競(jìng)賽經(jīng)歷的鍛煉和感悟。干部學(xué)院AI教學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鐘琦博士的點(diǎn)評(píng)也啟發(fā)我們?nèi)绾蚊鎸?duì)AI引領(lǐng)的新創(chuàng)新時(shí)代。

采訪人：組建團(tuán)隊(duì)參加本次氣象AI算法挑戰(zhàn)賽的動(dòng)力及目的是什么？

趙陽(yáng)：“氣象+AI”是當(dāng)下發(fā)展非?？斓臒衢T(mén)領(lǐng)域之一，近年來(lái)中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“干部學(xué)院”）新創(chuàng)立了人工智能教學(xué)團(tuán)隊(duì)，吸引了許多對(duì)“氣象+AI”感興趣的青年教師。本次氣象AI算法挑戰(zhàn)賽，瞄準(zhǔn)的基于觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣，是當(dāng)下“氣象+AI”的重點(diǎn)和難點(diǎn)領(lǐng)域，受到了團(tuán)隊(duì)年輕老師的關(guān)注，大家躍躍欲試。相比于之前的文獻(xiàn)研究、參與項(xiàng)目等研究AI的方法，通過(guò)參加競(jìng)賽，一是可以提高大家的編程能力，檢驗(yàn)大家的學(xué)習(xí)成果，通過(guò)真正動(dòng)手實(shí)踐，暴露出理論學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)不了的問(wèn)題，避免了“紙上談AI”；二是通過(guò)參加比賽，能夠更好地磨合團(tuán)隊(duì)，讓每位隊(duì)員都能在“氣象+AI”的大海中找到自己擅長(zhǎng)或感興趣的領(lǐng)域；三是參與競(jìng)爭(zhēng)，開(kāi)拓視野，看看我們與強(qiáng)隊(duì)之間的差距，了解自身不足。

采訪現(xiàn)場(chǎng)合影（從左至右依次為于丹、王晴旭、趙陽(yáng)、張悅含、唐偉）

張悅含：我們?nèi)硕际歉刹繉W(xué)院人工智能教學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員（鏈接1），想借此機(jī)會(huì)練練兵，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。同時(shí)，作為干部學(xué)院的一線教師，也希望積累一些授課的素材。

采訪人：團(tuán)隊(duì)此次參賽，采用了哪種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)報(bào)結(jié)果如何，是否和傳統(tǒng)短臨預(yù)報(bào)方法——光流矢量計(jì)算方法的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有何優(yōu)勢(shì)？

王晴旭：強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)，即時(shí)空序列預(yù)測(cè)問(wèn)題，我們采用了時(shí)空序列預(yù)測(cè)的經(jīng)典開(kāi)源算法ConvLSTM（圖1）。ConvLSTM是2015年香港科技大學(xué)的施行健博士提出的，結(jié)合了卷積（Conv）可以提取空間特征的能力以及長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）可以處理序列的能力，特別適合時(shí)空序列預(yù)測(cè)任務(wù)。很多文獻(xiàn)研究表面，相比于光流法預(yù)測(cè)結(jié)果，ConvLSTM擁有更好的效果。另外我們團(tuán)隊(duì)采用了本地配置的計(jì)算資源，相比于云端高性能計(jì)算資源，勝在配置簡(jiǎn)單，能夠更快上手。

圖1 經(jīng)典時(shí)空序列預(yù)測(cè)算法——卷積長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)ConvLSTM

采訪人：剛才提到團(tuán)隊(duì)三位隊(duì)員來(lái)自不同專業(yè)，平均年齡僅30歲，那么在全球1784支參賽隊(duì)伍中能夠脫穎而出取得優(yōu)異成績(jī)，具有哪些優(yōu)勢(shì)條件？團(tuán)隊(duì)在參賽過(guò)程中還面臨哪些挑戰(zhàn)，是否遇到了瓶頸問(wèn)題？

王晴旭：我們團(tuán)隊(duì)充分利用了多學(xué)科交叉和合理的團(tuán)隊(duì)分工。在我們剛獲悉題目的時(shí)候，一開(kāi)始大家都沒(méi)什么比賽的經(jīng)驗(yàn)，但是通過(guò)一兩天的集中討論，確定了每個(gè)人的方向，比如趙陽(yáng)負(fù)責(zé)編程，悅含負(fù)責(zé)研究評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，我負(fù)責(zé)算法調(diào)研和開(kāi)發(fā)，這樣每個(gè)人的優(yōu)勢(shì)都能發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而階段性地整理每個(gè)人的成果并匯總形成方案。另一方面，雖然缺乏參賽經(jīng)驗(yàn)，但是作為干部學(xué)院的教師，平時(shí)在教學(xué)培訓(xùn)工作中也積累了一些其他的經(jīng)驗(yàn)，例如調(diào)研、編程，以及細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)，這使得我們?cè)诒荣愔锌梢院芸斓貙?shí)現(xiàn)初步方案。最后一點(diǎn)，干部學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和團(tuán)隊(duì)中其他指導(dǎo)老師或前輩也給予了我們很多幫助和支持，讓我們能夠在比賽中堅(jiān)持不懈，始終保持信心和熱情。

趙陽(yáng)：相對(duì)于成績(jī)更佳的隊(duì)伍，我們還有很多不足。例如在算法方面，通過(guò)這次挑戰(zhàn)賽，我發(fā)現(xiàn)了自身對(duì)于AI的很多底層邏輯理解還有欠缺。我們采用的是2015年開(kāi)源的算法，對(duì)于近兩年來(lái)的新算法研究不足。另外在數(shù)據(jù)處理、訓(xùn)練技巧、評(píng)分檢驗(yàn)等方面，也都暴露出很多經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)不足，補(bǔ)齊短板，這是我們這次比賽最滿意的“收獲”。

張悅含：和優(yōu)勝隊(duì)伍比，我們確實(shí)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有很大差距，我想這主要是由于我們?nèi)齻€(gè)都不是科班出身，并且沒(méi)有整段的時(shí)間全身心投入比賽吧，畢竟業(yè)務(wù)工作還是比較繁忙的。

采訪人：構(gòu)建優(yōu)良的數(shù)據(jù)集是AI研究的核心。本次氣象AI算法挑戰(zhàn)賽提供的數(shù)據(jù)集對(duì)您今后的業(yè)務(wù)工作是否有所借鑒？

趙陽(yáng)：一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)集是發(fā)展AI最重要的基礎(chǔ)，比如眾所周知的ImageNet數(shù)據(jù)集在十多年前就成為了圖像識(shí)別領(lǐng)域飛速發(fā)展的奠基石（圖2）。本次挑戰(zhàn)賽的數(shù)據(jù)集也給我們的AI教學(xué)提供了參考，例如將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配，算是一個(gè)很好的思路。對(duì)于氣象領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，我們不缺數(shù)據(jù)，但是缺乏對(duì)數(shù)據(jù)集的整理，包括質(zhì)量控制、重點(diǎn)天氣現(xiàn)象標(biāo)注、數(shù)據(jù)匹配等工作，這算是一個(gè)很難但意義重大的工作，對(duì)于“氣象+AI”的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是必不可少的。

圖2 ImageNet圖像識(shí)別數(shù)據(jù)集

采訪人：團(tuán)隊(duì)共參與了幾次氣象AI算法挑戰(zhàn)賽？具體到方法上來(lái)說(shuō)，是否可以以不變應(yīng)萬(wàn)變，用一個(gè)算法就可以參加不同的氣象AI大賽？

趙陽(yáng)：這是我們第一次參加類似的比賽。對(duì)于AI的研究者來(lái)說(shuō)，我們最理想的情況當(dāng)然是找到一個(gè)通用算法來(lái)滿足所有的任務(wù)，但是在現(xiàn)階段是不可能的。受限于AI的發(fā)展，計(jì)算資源的有限，業(yè)界每年都會(huì)有新的思路、新的算法出現(xiàn)，AI也在向著（計(jì)算速度）更快、（評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)）更高、（實(shí)現(xiàn)效果）更強(qiáng)的方向不斷“內(nèi)卷”。這樣也更能激勵(lì)我們?cè)贏I領(lǐng)域不斷探索、繼續(xù)前進(jìn)！

采訪人：通過(guò)此次實(shí)戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)對(duì)“氣象+AI”是否有了新的認(rèn)識(shí)，人工智能在氣象領(lǐng)域融合應(yīng)用的現(xiàn)狀如何，實(shí)現(xiàn)深度融合應(yīng)用還面臨哪些困難與挑戰(zhàn)？

趙陽(yáng)：自2016年起，先后有40余個(gè)國(guó)家和地區(qū)將推動(dòng)人工智能發(fā)展上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。人工智能已成為科技創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域和數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要支柱。目前，人工智能在醫(yī)療、制造、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用已持續(xù)深入。“氣象+AI”有很多可以結(jié)合的點(diǎn)，比如本次比賽所涉及的強(qiáng)對(duì)流天氣的短臨預(yù)報(bào)，還有氣候預(yù)測(cè)，衛(wèi)星云圖識(shí)別等。此外，AI領(lǐng)域最成熟的圖像處理技術(shù)，例如圖像識(shí)別或語(yǔ)義分割，還可以應(yīng)用在氣象服務(wù)領(lǐng)域，例如農(nóng)業(yè)氣象中對(duì)農(nóng)作物狀態(tài)的智能識(shí)別，還有旅游氣象、交通氣象等領(lǐng)域。

我們都知道AI是運(yùn)用了大量統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)，可以通過(guò)訓(xùn)練從過(guò)往數(shù)據(jù)中尋找特征，繼而運(yùn)用到新的情況，這和老資歷的預(yù)報(bào)員通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析是類似的，甚至說(shuō)AI會(huì)越來(lái)越強(qiáng)、越來(lái)越穩(wěn)定，而不會(huì)依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的差異。同時(shí)傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法還結(jié)合了很多大氣動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，如何把氣象學(xué)的先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用到AI中，是我們要深入研究的。

采訪人：如您所說(shuō)AI會(huì)越來(lái)越強(qiáng)、越來(lái)越穩(wěn)定，那么隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與深度應(yīng)用，對(duì)預(yù)報(bào)員來(lái)說(shuō)，借助外腦作用是否是一種替代關(guān)系？

趙陽(yáng)：當(dāng)下AI是一個(gè)高速發(fā)展的領(lǐng)域，目前AI的門(mén)檻也是逐年降低，即使是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人員也能輕易上手。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，AI會(huì)更加接地氣，成為像互聯(lián)網(wǎng)一樣的“新基建”，一個(gè)很普通的工具。但同時(shí)也要看到，AI還存在很多問(wèn)題，最大的問(wèn)題就是常說(shuō)的黑箱，即存在不穩(wěn)定性。例如數(shù)據(jù)集中的噪聲會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的不良影響，這對(duì)于預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)是難以接受的。因此在短時(shí)間內(nèi)，AI還難以承擔(dān)核心的預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作，但可以作為一個(gè)輔助工具提供參考結(jié)果，或者參與到一些細(xì)分工作中。直到其準(zhǔn)確率獲得認(rèn)可，再應(yīng)用到核心業(yè)務(wù)中。

采訪人：本次挑戰(zhàn)賽既是推動(dòng)AI在氣象領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)踐的一次重要探索，同時(shí)也是形成解決預(yù)報(bào)瓶頸的一種新型眾創(chuàng)機(jī)制的具體嘗試。但此次競(jìng)賽在氣象領(lǐng)域并不是首次探索。2022年6月11—12日，ECMWF舉辦了2022年黑客馬拉松：可視化氣象數(shù)據(jù)（#VisMetData，鏈接2），探索如何將天氣和氣候數(shù)據(jù)可視化。深圳市氣象局2017—2018年連續(xù)兩年通過(guò)與阿里巴巴公司、香港天文臺(tái)合作，共同組織了“全球AI氣象挑戰(zhàn)賽”，通過(guò)眾創(chuàng)機(jī)制促進(jìn)智能臨近預(yù)報(bào)的發(fā)展。您認(rèn)為采用競(jìng)賽方式對(duì)于AI技術(shù)而言具有怎樣的特殊意義？

鏈接2：2022年黑客馬拉松：可視化氣象數(shù)據(jù)

黑客馬拉松（Hackathons），又稱編程馬拉松，是指將程序員或者軟件工程師等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的從業(yè)者聚在一起，在特定時(shí)間內(nèi)自由完成比賽題目。通過(guò)為技術(shù)人員提供一個(gè)自我表達(dá)和展現(xiàn)創(chuàng)造力的平臺(tái)，使富有創(chuàng)新性的技術(shù)得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，它是程序員和軟件開(kāi)發(fā)人員向往的業(yè)內(nèi)頂級(jí)盛會(huì)，也成為業(yè)界進(jìn)行開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和融資的契機(jī)。

2022年黑客馬拉松：可視化氣象數(shù)據(jù)由ECMWF在其總部英國(guó)雷丁舉辦，目的是探索如何將氣象數(shù)據(jù)、天氣和氣候可視化，以便對(duì)用戶和更廣泛的公眾更有用、更易于理解和更有影響力。此次活動(dòng)注重吸引來(lái)自不同背景和多樣性的參與者，不僅包含編碼人員，還包含了設(shè)計(jì)師、數(shù)據(jù)管理員、氣象學(xué)家、講故事的人、記者等任何對(duì)氣象數(shù)據(jù)和可視化感興趣的人員，共有9支隊(duì)伍37人參加。

Hackathon 2022年提出了三個(gè)挑戰(zhàn)：可視化數(shù)據(jù)（#VisData）；用數(shù)據(jù)講故事（#StorytellingData）；數(shù)據(jù)處理（#101MemberEnsemble）。除此之外還有一個(gè)公開(kāi)挑戰(zhàn)（#OpenHack）。在每個(gè)挑戰(zhàn)中，ECMWF工作人員都會(huì)提出項(xiàng)目供參與者開(kāi)展工作或幫助激發(fā)他們的項(xiàng)目。比賽時(shí)間為24小時(shí)，每個(gè)項(xiàng)目根據(jù)四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估：原創(chuàng)性、影響力、令人印象深刻和數(shù)據(jù)的使用。除了目前可從ECMWF獲得的所有公開(kāi)數(shù)據(jù)之外，參與者還可以獲得許多數(shù)據(jù)。

最終#isitnormal團(tuán)隊(duì)成為獲勝者，他們的項(xiàng)目關(guān)注的問(wèn)題是“今天的天氣與歷史正常相比如何？”通過(guò)使用來(lái)自ECMWF的ERA5再分析的溫度數(shù)據(jù)，以氣候條紋為靈感，繪制了可點(diǎn)擊的歷史月度溫度時(shí)間序列和創(chuàng)新的小提琴圖，以展示當(dāng)今溫度與世界各地不同城市的歷史值和平均值相比。該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一個(gè)地圖功能，以展示跨地區(qū)和局部的溫度變化。

趙陽(yáng)：AI的優(yōu)勢(shì)就在于它是建模無(wú)關(guān)的，能夠高效地、大規(guī)模地提取數(shù)據(jù)中的特征。以我們團(tuán)隊(duì)為例，大家都沒(méi)有觀測(cè)預(yù)報(bào)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，卻也能夠取得一定的成果。這證明了非專業(yè)的人員也有一席之地。“氣象+AI”并不是要完全替代傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法，而是借助AI的一些優(yōu)勢(shì)或數(shù)學(xué)思路，來(lái)解決預(yù)報(bào)的一些難點(diǎn)。例如圖像識(shí)別中所用到的卷積可以用來(lái)提取特征，例如無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)可以讓機(jī)器自主學(xué)習(xí)到前所未知的特征，這些都是可以借鑒的思路。

張悅含：在短臨預(yù)報(bào)中，機(jī)器學(xué)習(xí)的效果確實(shí)不錯(cuò)。而這種通過(guò)比賽集思廣益的形式也非常振奮人心。在我看來(lái)，是一種雙贏機(jī)制，對(duì)于業(yè)務(wù)單位來(lái)說(shuō)，低成本地收獲了一些新的研究思路和算法；對(duì)于參賽選手來(lái)講，不僅開(kāi)拓了思維，還獲取了一系列的“激勵(lì)”。

采訪人：作為干部學(xué)院的AI教學(xué)團(tuán)隊(duì)，從干部學(xué)院作為國(guó)家級(jí)氣象管理干部和高層次專業(yè)技術(shù)人才培訓(xùn)基地出發(fā)，在氣象業(yè)務(wù)培訓(xùn)中是否可以借鑒這種新型眾創(chuàng)機(jī)制，未來(lái)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)將呈現(xiàn)怎樣的趨勢(shì)？

王晴旭：將AI應(yīng)用到預(yù)報(bào)中是一個(gè)熱門(mén)的研究方向。在過(guò)去兩年時(shí)間里，干部學(xué)院的AI教學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)展了多期研究型天氣業(yè)務(wù)培訓(xùn)班，邀請(qǐng)到了各單位或高校的“氣象+AI”領(lǐng)域的專家作為授課老師。全國(guó)的預(yù)報(bào)員或研究人員都踴躍報(bào)名參加，收到了非常好的反響。但AI畢竟是一個(gè)新興的、高速發(fā)展的學(xué)科，來(lái)自全國(guó)各地的學(xué)員其數(shù)學(xué)和編程水平也都不盡相同，使得當(dāng)前的AI培訓(xùn)更偏向前沿講座的性質(zhì)。我們的團(tuán)隊(duì)也在積極探索“氣象+AI”的培訓(xùn)方式，爭(zhēng)取在未來(lái)的預(yù)報(bào)員培訓(xùn)中看到更多、更先進(jìn)、更實(shí)用的AI內(nèi)容。

采訪人：謝謝團(tuán)隊(duì)接受采訪，愿團(tuán)隊(duì)今后在AI領(lǐng)域取得更多的成果！