當(dāng)AI遇上氣候變化：一場(chǎng)科技與自然的博弈

　　最近的天氣很不“太平”，這一秒是大太陽，下一秒可能就下起了大暴雨。

　　全球范圍內(nèi)極端天氣頻發(fā)，而人工智能或有望幫助人們應(yīng)對(duì)氣候變化的影響。

　　谷歌DeepMind高管科林·默多克就表示，人工智能有潛力加速改變世界的創(chuàng)新，例如“無限”的清潔能源和更好的氣象模型。

　　此前登頂《自然》(Nature)期刊的華為云盤古氣象大模型，在7月31日正式上線歐洲中期天氣預(yù)報(bào)官網(wǎng)，讓世界看到了國產(chǎn)大模型破解氣象領(lǐng)域難題的威力。

　　AI是如何作用于氣候，市面上目前有哪些值得關(guān)注的公司與產(chǎn)品，本文將為你一一解答。

　　01 人工智能如何作用于氣候？

　　天氣預(yù)報(bào)

　　幾十年來，傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)一直依賴于一種稱為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的系統(tǒng)。由于涉及諸多的數(shù)學(xué)和物理計(jì)算，數(shù)值天氣模型需要極高的計(jì)算能力，這使得它們的運(yùn)行既昂貴又耗時(shí)。模型所能準(zhǔn)確捕捉到的精細(xì)過程也具有局限性，例如單個(gè)云的物理性質(zhì)很難在進(jìn)行大規(guī)模全球預(yù)測(cè)的模型中進(jìn)行模擬。

　　而現(xiàn)在，天氣預(yù)報(bào)有望引入人工智能預(yù)測(cè)方法，這些系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)模型產(chǎn)生更快、更準(zhǔn)確的結(jié)果，甚至有潛力改變天氣預(yù)測(cè)行業(yè)。

　　人工智能模型不需要用傳統(tǒng)大量數(shù)學(xué)方程的形式來運(yùn)算實(shí)際物理，而是吸收了大量的歷史天氣數(shù)據(jù)，并學(xué)會(huì)識(shí)別模式。然后，當(dāng)被提供關(guān)于天氣狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，AI能夠使用識(shí)別模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

　　研究人員表示，即使目前的人工智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)并不會(huì)取代傳統(tǒng)模型，但其在傳達(dá)有關(guān)天氣的信息方面仍然很有價(jià)值。

　　節(jié)能減排

　　今天，幾乎每一項(xiàng)人類活動(dòng)都在一定程度上影響了碳足跡：建造、運(yùn)輸、供電、飲食、算力。其中，有相當(dāng)大一部分節(jié)能舉措可以有效應(yīng)用人工智能。

　　在過去幾年內(nèi)，數(shù)百家世界知名公司公開承諾通過減少排放與購買碳補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)零碳排放，并相應(yīng)調(diào)整運(yùn)營計(jì)劃。

　　于是，使用人工智能量化碳排放量，全面了解碳足跡，優(yōu)化低碳決策，以及構(gòu)建由人工智能驅(qū)動(dòng)的碳抵消市場(chǎng)成為新的商業(yè)熱點(diǎn)。后者主要是將計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用于航空?qǐng)D像和傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)估算造林儲(chǔ)存的碳，并持續(xù)監(jiān)控其碳抵消項(xiàng)目的數(shù)據(jù)。

　　無論是農(nóng)業(yè)還是工業(yè)，人工智能都能幫助監(jiān)測(cè)和減少溫室氣體排放，提高能源系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

　　農(nóng)業(yè)是氣候變化的主要因素，占世界溫室氣體排放量的10%至15%�，F(xiàn)代資源密集型農(nóng)業(yè)往往導(dǎo)致大量資源的浪費(fèi)，應(yīng)用AI技術(shù)可以提高農(nóng)業(yè)效率，減少碳足跡，同時(shí)提高糧食產(chǎn)量。

　　而在工業(yè)上，比如電力無法大規(guī)模有效儲(chǔ)存，所以電網(wǎng)必須持續(xù)實(shí)時(shí)平衡供需，AI能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的自動(dòng)化與更精準(zhǔn)的系統(tǒng)化。

　　模擬決策

　　準(zhǔn)確模擬極端天氣仍然是氣候模型面臨的主要挑戰(zhàn)，而利用人工智能技術(shù)來模擬氣候系統(tǒng)有助于我們找到合適的治理方案。

　　氣候模型不同于用于天氣預(yù)報(bào)的模型，天氣預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)范圍是幾天，而氣候模型能在幾十年甚至幾百年里進(jìn)行模擬。

　　我們可以利用深度學(xué)習(xí)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對(duì)海量的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星圖像、雷達(dá)信號(hào)等進(jìn)行快速處理和分析，從中提取有用的特征和信息，為氣候模型的輸入和輸出提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù);也可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的物理方程式或統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建的氣候模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，從而降低模型的誤差和偏差。

　　依托人工智能技術(shù)來模擬氣候系統(tǒng)可以幫助我們更好地理解氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，提高氣候預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，為氣候變化的適應(yīng)和減緩提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

　　02 值得關(guān)注的公司和產(chǎn)品

　　硅谷著名風(fēng)投家查馬斯·帕利哈皮蒂亞曾言，世界新的萬億富豪將在氣候變化中誕生。應(yīng)對(duì)氣候變化不僅是全球人類的當(dāng)務(wù)之急，還蘊(yùn)含著巨大的商機(jī)，同時(shí)也是世界命運(yùn)共同體的必然選擇。

　　谷歌

　　谷歌對(duì)環(huán)境問題歷來重視，作為一家具有全球影響力的企業(yè)，谷歌在積極倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展方面做出了重大貢獻(xiàn)。在2023年發(fā)布的環(huán)境報(bào)告中，谷歌強(qiáng)調(diào)了如何利用人工智能來危機(jī)響應(yīng)洪水、山火和地震，計(jì)算運(yùn)輸排放量，以及檢測(cè)生物多樣性的變化。

　　在今年5月，谷歌上線了由人工智能驅(qū)動(dòng)的Flood Hub服務(wù)，結(jié)合了兩個(gè)預(yù)測(cè)模型來估算流入河流的水量和預(yù)計(jì)影響地區(qū)的洪水深度，用戶能夠在洪水來臨前最早7天前獲得谷歌的預(yù)報(bào)信息。

　　Flood Hub目前已覆蓋全世界80多個(gè)國家，共4.6億人，數(shù)據(jù)可由個(gè)人或組織用于疏散和撤離。

　　目前，世界上有大約四分之一的人生活在洪水區(qū)，隨著海平面上升和氣候變化引起的更大颶風(fēng)，預(yù)計(jì)該數(shù)字會(huì)上升，準(zhǔn)確繪制洪水事件地圖的需求不容小覷。

　　而面對(duì)碳排放的壓力，谷歌CEO桑達(dá)爾·皮查伊也設(shè)定了目標(biāo)，到2030年，讓Google實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然去年AI的巨大降熱耗水量讓谷歌的環(huán)保計(jì)劃受挫，但谷歌聲稱自主定制的TPU芯片能耗效率遠(yuǎn)高于英偉達(dá)同類產(chǎn)品，谷歌擁有“未來芯片的健康管線”。

　　英偉達(dá)

　　英偉達(dá)則在人工智能與數(shù)字孿生的共同作用處下了狠功夫。

　　創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛在今年7月3日舉辦的“地球虛擬引擎計(jì)劃(EVE)”柏林峰會(huì)上強(qiáng)調(diào)了英偉達(dá)的超級(jí)計(jì)算機(jī)Earth-2能夠?qū)�氣候模擬作出的*貢獻(xiàn)。

　　Earth-2，顧名思義，是地球的數(shù)字孿生，能夠在Omniverse(英偉達(dá)虛擬世界模擬引擎)中以百萬倍的速度運(yùn)行Modulus(人工智能物理模擬框架)創(chuàng)建的AI物理環(huán)境。

　　這有點(diǎn)像哆啦A夢(mèng)給大雄的暑假作業(yè)研究找到的道具“創(chuàng)世組件”，可以觀測(cè)地球型行星的變遷，不同于傳統(tǒng)的天氣模擬，能從物理、化學(xué)和生物學(xué)等方面對(duì)大氣、水資源、陸地進(jìn)行若干年的可視化模擬。

　　Earth-2能實(shí)現(xiàn)三方面的奇跡：一是以足夠快的速度和高達(dá)千分尺分辨率模擬氣候，預(yù)測(cè)對(duì)土壤粒度的影響;二是使用AI實(shí)現(xiàn)高保真度模擬，并實(shí)現(xiàn)與PB級(jí)氣候數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，還能以多種方式預(yù)計(jì)算海量數(shù)據(jù);三是能與Omniverse平臺(tái)交互，將數(shù)據(jù)可視化，交由決策者、企業(yè)、公司和科學(xué)家使用。

　　IBM

　　IBM及其子公司The Weather Company 早前曾被評(píng)為“全球預(yù)報(bào)最準(zhǔn)的天氣服務(wù)提供商”，旗下產(chǎn)品有開源智能模型IBM GRAF，能夠在全球范圍內(nèi)提前12個(gè)小時(shí)預(yù)測(cè)像雷暴的小規(guī)模天氣現(xiàn)象，以及一套AI驅(qū)動(dòng)的環(huán)境智能軟件，主要為企業(yè)提供環(huán)境解決方案。

　　就在幾天前，IBM與開源AI平臺(tái)Hugging Face以及美國宇航局NASA發(fā)布了全球*開源AI基礎(chǔ)模型Prithvi，以幫助分析衛(wèi)星圖像。

　　Prithvi由NASA提供過去一年在美國大陸范圍內(nèi)的Harmonized Landsat Sentinel-2(HLS)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并基于洪水和山火區(qū)域的標(biāo)注數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，在IBM的watsonx.ai基礎(chǔ)模型上預(yù)訓(xùn)練與進(jìn)一步微調(diào)而成。

　　NASA預(yù)測(cè)，到2024年，科學(xué)家將需要在研究中面臨25萬TB的數(shù)據(jù)，因此與IBM簽訂了《太空行動(dòng)協(xié)議》(Space Act Agreement)，共同利用AI改善這一情況。

　　該模型可以適應(yīng)森林砍伐追蹤、作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)和溫室氣體檢測(cè)等各種任務(wù)，旨在有效應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并為地球的可持續(xù)未來作出貢獻(xiàn)。

　　華為

　　國產(chǎn)氣象大模型同樣在最近取得了重大突破。

　　就在今年7月，國際*學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)發(fā)表了華為云盤古大模型研發(fā)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立研究成果——《三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于精準(zhǔn)中期全球天氣預(yù)報(bào)》，認(rèn)為華為云盤古氣象大模型讓人們重新審視氣象預(yù)報(bào)模型的未來。

　　華為從2020年開始立項(xiàng)做華為云盤古大模型，到2021年4月發(fā)布，最新成果僅僅用了1.4秒就完成了未來24小時(shí)的全球天氣預(yù)測(cè)，比現(xiàn)有方法快了一萬倍。

　　其他基于人工智能的預(yù)測(cè)模型，比如英偉達(dá)的FourCastNet，雖然能夠快速實(shí)現(xiàn)天氣預(yù)報(bào)，但預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的NWP方法。因此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了適應(yīng)地理位置的三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)，并且使用分層時(shí)間聚合算法來減少累計(jì)預(yù)測(cè)次數(shù)。

　　華為云盤古氣象大模型已經(jīng)正式上線ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心）官網(wǎng)，任何人都可以免費(fèi)查看盤古對(duì)未來10天全球天氣的預(yù)測(cè)。盤古氣象大模型優(yōu)于所有現(xiàn)有的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，也是首次在精度和速度方面超越傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)測(cè)方法，為天氣預(yù)報(bào)與人工智能的結(jié)合創(chuàng)建了新的范式。

　　風(fēng)烏

　　此外，還有另一個(gè)值得關(guān)注的氣象大模型——風(fēng)烏。風(fēng)烏的名字源自東漢時(shí)期張衡研制出的世界上最早的測(cè)風(fēng)儀器——相風(fēng)銅烏。

　　鳳烏大模型由上海人工智能實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、中國科學(xué)院大氣物理研究所及上海中心氣象臺(tái)共同研發(fā)。風(fēng)烏大模型首次實(shí)現(xiàn)高分辨率上對(duì)核心大氣變量進(jìn)行超過10天的有效預(yù)報(bào)，并在80%的評(píng)估指標(biāo)上超越谷歌發(fā)布的模型GraphCast，能在30秒內(nèi)生成未來10天全球氣象高精度預(yù)報(bào)結(jié)果。

　　風(fēng)烏大模型目前已經(jīng)用于國內(nèi)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)，比如在近日的“杜蘇芮“臺(tái)風(fēng)上就實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)路徑，優(yōu)于歐美權(quán)威機(jī)構(gòu)。

　　03 綠色未來，就在前方

　　毫無疑問，我們?nèi)祟愓�面臨著當(dāng)今世界最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，極端的氣候變化已經(jīng)對(duì)我們?cè)斐闪司薮蟮耐�脅。幸運(yùn)的是，人工智能憑借其驚人的潛力，成為了我們應(yīng)對(duì)氣候變化的重要伙伴，使得我們不再“孤軍奮戰(zhàn)”。

　　需要注意的是，人工智能本身并不是*無缺的，這種技術(shù)也會(huì)消耗大量的能源和資源，產(chǎn)生一定的環(huán)境影響。

　　但根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，目前全球電力總量的1%就足以滿足全球數(shù)據(jù)中心的能源需求。而且，隨著技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，人工智能的能效和性能也會(huì)不斷提高，其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也會(huì)逐漸降低。

　　在可持續(xù)發(fā)展的道路上，我們需要充分利用人工智能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以超前的意識(shí)和責(zé)任感去創(chuàng)造一個(gè)更加美好、更加綠色的未來。