天气状况瞬息万变，令人难以捉摸。最大程度地精准预报天气、预测气候一直是人们的不懈追求。数值预报的诞生给天气预报领域带来跨越式发展，它根据大气实际情况，在一定初值和边值条件下，通过超级计算机求解描述天气演变过程的流体力学和热力学方程组，进而预判未来一定时段的大气运动状态。随着智能化时代到来，人工智能（AI）技术的身影在各领域日渐活跃。当AI融入数值预报，会带来哪些变化？

AI融入，形成数值预报的有力补充

AI被认为是引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术，已经融入到经济社会的方方面面。数值预报和AI有着天然的耦合关系，人工智能天生就是处理大数据的工具，可以利用知识经验提高计算速度和提升预报精度，还可以“模拟”数值模式中无法精确描述的部分物理过程。可以说，在气象预报方法上，人工智能技术可以成为数值预报的有力补充。

2020年，中国气象局地球系统数值预报中心（以下简称“数值预报中心”）将AI技术引入到数值模式的后处理中，进行偏差订正。“人工智能预报技术在北京冬奥会气象服务保障中获得应用，通过对海量的数值天气预报模型预报数据和大量的气象观测数据进行‘再解读’，从而实现客观气象预报的‘再订正’，冬奥气象预报的精准度有了较大提升。”数值预报中心计算技术室高级工程师井浩解释。

目前，数值预报中心已经在资料同化、模式物理过程参数化方案、观测算子、卫星图像云检测、模式产品后处理、集合预报等业务全链条中开展了人工智能应用研究。“不过，从研发到真正的业务应用，AI与数值预报深度融合任重而道远。”井浩指出，“目前，AI在数值预报中的作用主要是进行模块上的替代，而业务数值预报系统必须及时提供预报产品，对稳定性要求极高，突然加入AI模块可能导致预报系统运行稳定性下降，因此还要进行长久攻关。”另外，数值模式与AI技术属于两套编程语言，“这就好比一个人说英语，一个人说汉语，彼此之间没有可用的翻译软件，所以‘对话’困难重重。”井浩比喻，“这就需要尽快引入高性能中间件对它们的底层语言进行翻译与融合。”

自2023年起，数值预报中心通过自身发力和对外合作，建立了基于AI的集合同化框架，目前正在测试阶段；在数值模式方面，对于辐射等复杂的物理过程模块，通过人工智能算法进行替换，以提高模式的计算效率及预报的时效性。此外，研发了基于生成式模型的超分辨率预报模型。“相信随着数值模式本身的进步和AI的融合应用，未来的预报将更加精准和高效。”井浩如是说。

AI出手，能否带来气候预测新突破？

目前，气候系统模式是对气候和气候变化进行预测的一个重要工具。

而由于人类对复杂气候系统认识和技术条件的局限性，气候系统模式的不确定性将长期存在，其发展要仰赖气候科学的发展以及更高的计算效率。“AI有较为强大的能力，可以从大数据当中找寻规律，增强我们对大气中某些现象的预测能力。比如对于高温热浪、极端降水等气象灾害，我们采用传统的数理方程或统计方法进行预测，但积累了大量的数据之后，还可以通过AI进行数据分析、推理和预测，充分发挥AI非线性拟合的能力，在传统数理方法的基础上进一步提高预测的准确性，未来还可能发现某些规律并给传统数理方法提供改进线索。”数值预报中心科技业务处处长孙健表示。

理论驱动和数据驱动这两种不同的科学范式具有互补性，传统数学物理模型和人工智能模型的深度结合是气候系统模式发展的前沿方向。目前，数值预报中心利用AI技术创新气候系统模式发展，实现了基于AI算法的次网格物理过程方案在全球气候模拟中的融合应用，并成功进行了长期稳定积分，合理再现了平均气候态特征，以及关键气候变率的动力过程。“欧美等国际主要数值模式研发机构正在试图利用AI技术突破地球系统数值预报。我们研发的下一代模式，也一定是融合了AI的新型地球系统模式。”数值预报中心耦合模式室主任路屹雄表示。

尽管机器学习等AI技术在气候系统模式中的应用尚处于起步阶段，但其在发现海量数据集中存在的复杂非线性关系方面的强大表现，对于研发地球系统模式至关重要。随着人工智能和物理建模相结合，气候和地球系统模式将得到改进。目前，美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）已经开始用机器学习来替换气候模式中的部分模块；欧洲中期天气预报中心人工智能技术已覆盖数值天气预报业务的全流程，渗入到预报中的各个环节。

融合了AI的模式能进一步加速气候预测的精细化程度，其在强风暴预警、极端气候预测等方面潜力巨大。不过，也应该清醒地认识到，地球系统庞大复杂，让人工智能“看懂”地球风云还有很长的路要走。所以，在相当长的时间内，AI还是会以辅助的姿态与传统的数值模式相结合，帮助人类在应对天气气候影响时拿出更优的决策方案。

新质生产力开辟发展新领域新赛道、塑造发展新动能新优势。向新领域和新发展谋突破势在必行。“人工智能在气象行业中的应用刚起步，应用场景未来还有很多，数值预报中心将把握科技革命潮流，推动人工智能与数值预报深度融合，把其变成模式发展的新质生产力，提高数值预报系统的精度和速度，助力打赢地球系统数值模式的关键核心技术攻坚战。”孙健表示。

（作者：唐淼 责任编辑：张林）