人工智能AI為氣象應(yīng)急增添“安全盾”

李倩 劉波

作為近年來的高頻科技詞匯，“人工智能”這項聽起來高深莫測的現(xiàn)代科學技術(shù)，已深深融入我們生活中的每個角落。從音樂軟件的推薦播放列表，到即時互動的聊天機器人、分析鍛煉和睡眠狀況的健康設(shè)備……這些都是人工智能融入生活的典型案例。那么，在陰晴冷暖的天氣變化預(yù)報、預(yù)測，和氣象災(zāi)害的預(yù)警、預(yù)防領(lǐng)域，人工智能又是如何大顯身手的呢？

更加精準地“追風逐雨”

在全球變暖的背景下，極端災(zāi)害性天氣廣發(fā)、頻發(fā)，影響著城市的方方面面。氣象部門提早發(fā)布預(yù)報預(yù)警信息，讓防范先于災(zāi)害的發(fā)生，正所謂“早預(yù)警、早行動”。這其中，對天氣形勢的預(yù)先判斷是及時發(fā)布預(yù)警信息的基礎(chǔ)。

20世紀初，科學家首次提出了數(shù)值天氣預(yù)報的概念，但彼時數(shù)值預(yù)報還相對簡單。如今，隨著海陸空天一體化氣象觀測網(wǎng)的建立，大量數(shù)據(jù)織就了一張巨大的信息網(wǎng)，而想要從中快速高效地提取有用信息，就需要更完備的算法和強大的算力來支撐。人工智能憑借其日新月異、應(yīng)用廣泛的模型算法脫穎而出，站在了舞臺的中央。它就好比是一個充滿魔力的匣子，監(jiān)測數(shù)據(jù)從一邊輸入，預(yù)報結(jié)果便從另一邊快速輸出。

區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)值預(yù)報過程，人工智能模型的核心是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學習算法。通過對幾十年歷史氣象數(shù)據(jù)的學習，它摸索出了數(shù)據(jù)背后隱藏的科學規(guī)律，使模型具備預(yù)測能力。這個過程省去了傳統(tǒng)預(yù)報中大量的人工干預(yù)、定制化步驟。模型可以自動更新，極大提高了工作效率，能快速預(yù)測出常規(guī)氣象要素（氣溫、氣壓、風、濕度、云、降水等各種天氣現(xiàn)象）以及臺風路徑、極端天氣、近地面風場等關(guān)鍵信息。

?基于人工智能大模型的天氣預(yù)報流程（供圖/李倩）

?自動氣象站（供圖/李倩）

人工智能不僅能提高預(yù)報效率，還能夠提供更加精準的預(yù)報結(jié)果。它是如何實現(xiàn)的呢？

自動氣象站是氣象數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹匾O(shè)備，它們零散地分布在全球不同區(qū)域，想要了解氣候變化規(guī)律的全貌，就需要把所有氣象站的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。例如，清華大學的科研人員發(fā)明的全球自動氣象站預(yù)報大模型Corrformer，便是采用了人工智能方法，實現(xiàn)了全球范圍內(nèi)數(shù)萬個自動氣象站的協(xié)同預(yù)報。

在2022年北京冬奧會、北京冬殘奧會時，該模型為比賽場館提供了每分鐘更新一次的高精度溫度和大風預(yù)報，有效保障了高山滑雪、跳臺滑雪等多個項目的賽程安排。

在災(zāi)害面前贏得“主動權(quán)”的法寶

在自然災(zāi)害發(fā)生前，人工智能可以幫助我們敏銳察覺危險。例如，通過地表附近的溫度、濕度、風和降水等數(shù)據(jù)，可以提前一周預(yù)測森林火災(zāi)發(fā)生概率；通過氣候條件、灌木叢分布、地形、雷擊等因素，可以評估火災(zāi)風險；通過水下地震引發(fā)的海洋聲波，可以預(yù)測發(fā)生海嘯的可能性以及發(fā)生的時間……

強對流天氣（雷電、短時強降水、雷暴大風、冰雹、龍卷風等）突發(fā)性強、預(yù)報難度大，易引發(fā)自然災(zāi)害。但傳統(tǒng)的雷達回波推算只能提供未來1小時左右的預(yù)報。上海氣象部門引入了用于強對流天氣的人工智能技術(shù)，使雷達回波推算延長至2小時甚至更長時間，不僅可以計算出降水強度，還能快速、準確地預(yù)測發(fā)生的區(qū)域。

?綜合氣象觀測系統(tǒng)（供圖/李倩）

除了災(zāi)前監(jiān)測和災(zāi)中識別以外，災(zāi)后救援也處處體現(xiàn)著“智能”。通過分析大量災(zāi)害數(shù)據(jù)，綜合災(zāi)害變化、資源分布等情況，人工智能技術(shù)可以快速識別關(guān)鍵信息，生成最優(yōu)救援和逃生路線，為救援行動提供實時指導(dǎo)和決策支持。不僅如此，大量機器人、無人機參與搶險救援也是應(yīng)急管理的新趨勢。在遇到危險情景或不利地形時，例如道路堵塞或較狹窄、煙霧彌漫或環(huán)境黑暗、大型救援裝備無法進入災(zāi)害現(xiàn)場等情況，無人機等設(shè)備可以保證救援的順利開展，提供通信連接。而這些無人化設(shè)備的自動控制、運行，更離不開人工智能技術(shù)的輔助。

準確識別，排除隱患

人工智能的應(yīng)用推動了氣象與多行業(yè)、多領(lǐng)域的深度融合。通過在不同場景下的應(yīng)用，人工智能幫助我們更早地發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患。

當下，中國正在全面建設(shè)完善現(xiàn)代物流體系，而一場突然而來的冰雹災(zāi)害，很可能會造成物流公司上百萬元的損失。通過基于雷達資料和人工智能方法的高時空分辨率對流系統(tǒng)，可以提供物流車輛移動位置半徑1千米內(nèi)的道路空間信息、未來1小時內(nèi)每6分鐘間隔一次的冰雹災(zāi)害風險信息。這些信息可以為物流行業(yè)的安全運行提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐，使物流車輛盡早采取應(yīng)急方案，躲開冰雹。

此外，人工智能技術(shù)和交通氣象預(yù)報也碰撞出了不一樣的“火花”。安徽省氣象部門通過構(gòu)建大霧短期預(yù)報模型，實現(xiàn)了提前12小時預(yù)報高速公路大霧情況，大大降低了因惡劣天氣條件引起的交通事故和傷亡人數(shù)。同時，他們將人工智能技術(shù)應(yīng)用在道路狀態(tài)識別上，建立道路干燥、潮濕、積水、積雪4種路面狀態(tài)識別算法，識別準確率超過90%，不僅填補了交通與氣象業(yè)務(wù)中路面狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品的空白，還為排除交通安全隱患增添了新力量。

冰雹天氣

人工智能依靠人類積累的寶貴經(jīng)驗，將人類的智慧和經(jīng)驗相結(jié)合，為氣象預(yù)報預(yù)警作出巨大貢獻。它為我們“遮風擋雨”，守護著我們的安全。未來，人工智能或許會成為城市堅不可摧的“安全盾”，我們期待著那一天的到來。