Google DeepMind发表史上最准确的全球天气预报AI模型GraphCast

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Google DeepMind

Google DeepMind周二(11/14)发表了号称史上最准确的全球天气预报AI模型GraphCast,它是个中期气象预测模型,可在1分钟内预测未来10天的天气,比欧洲中期天气预报中心(ECMWF)所打造的10天高解析度预测(HRES)更准确也更快速。DeepMind不仅已透过GitHub开源GraphCast,亦已于ECMWF官网上公开测试GraphCast

GraphCast使用了40年的天气再分析资料进行训练,相关资料来自于ECMWF的ERA5资料集。此一资料集集结了各种的历史天气观测资料,包括卫星图像与雷达,再加上气象站所使用的基于物理运算的传统数值天气预报(NWP)来弥补观测不足之处,以重建丰富的全球历史天气纪录。

此外,GraphCast是个基于机器学习及图像神经网路的天气预报系统,它以0.25度经纬度(相当于28×28公里)的高解析度进行预测,以逾100万个网格覆盖了地球表面,在每个网格中预测5种地球表面变数,如温度、风速、风向及平均海平面压力等,以及6个大气变数。

尽管GraphCast的训练属于密集运算,但所生成的预测模型却非常有效率,GraphCast只需要输入两组资料,包括6小时前的天气状态以及现在的天气状态,该模型就能预测6小时之后的天气,以此类推一直到10天。在一台Google TPU v4机器上不到1分钟就能完成10天的预测,相较之下,若以传统的HRES进行预测,在一个由数百台机器组成的超级电脑上还需要数小时才能得到结果。

比较GraphCast与HRES的准确度,在1380个测试变数与提前预报时间上,GraphCast有超过90%都比HRES还要准确,若将预测范围缩小至对流层,GraphCast有99.7%的预测优于HRES。

除了一般的天气预测之外,DeepMind资深科学家Remi Lam指出,即使没有经过特别的训练,但GraphCast可比传统的预测模型更早辨识恶劣的天气事件,包括将气旋追踪器直接应用于GraphCast预测中,或是呈现大气河流(AV)的特性,可即早发现飓风与洪水,将有助于在愈来愈极端的全球气候中提前防范。

在GraphCast之前,Google DeepMind与Google Research已曾发表两款天气预报系统,包括可生成90分钟之后天气预报的Nowcasting模型,以及24小时预报系统MetNet-3,而这两个系统都是属于区域性的,GraphCast则覆盖了全球。

除了已有包括ECMWF在内的气象组织采用了GraphCast,DeepMind也认为,开源GraphCast可望激发更多的可能性,包括针对特定气候现象制作模型,或是针对全球不同地区的需求来优化模型。