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1分鐘預(yù)測10天天氣數(shù)據(jù) DeepMind 90%指標(biāo)超越人類最強(qiáng)模型

來源: 責(zé)編: 時(shí)間:2023-11-15 17:16:51 262觀看
導(dǎo)讀 谷歌DeepMind實(shí)驗(yàn)室推出的天氣預(yù)測大模型,已在Science雜志發(fā)表。 只需要不到1分鐘,它就能直接預(yù)測出未來10天的天氣。 準(zhǔn)確度上,它在90%的指標(biāo)上超越了最先進(jìn)的人類系統(tǒng),在AI氣象模型中屬首次! Dee

谷歌DeepMind實(shí)驗(yàn)室推出的天氣預(yù)測大模型,已在Science雜志發(fā)表。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

只需要不到1分鐘,它就能直接預(yù)測出未來10天的天氣。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

準(zhǔn)確度上,它在90%的指標(biāo)上超越了最先進(jìn)的人類系統(tǒng),在AI氣象模型中屬首次!Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

1分鐘預(yù)測10天天氣數(shù)據(jù) DeepMind 90%指標(biāo)超越人類最強(qiáng)模型Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

DeepMind的這個(gè)氣象模型名叫GraphCast,目前已經(jīng)開源。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

它的分辨率為0.25度經(jīng)度/緯度(在赤道處約為28 x 28公里),而目前的最高分辨率為1度。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

這樣的分辨率相當(dāng)于將地球表面分割成了超過100萬個(gè)網(wǎng)格,而每個(gè)網(wǎng)格又可以產(chǎn)生數(shù)百條預(yù)測數(shù)據(jù),總計(jì)數(shù)量達(dá)到了上億規(guī)模。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

不同于傳統(tǒng)的預(yù)測方式,GraphCast預(yù)測主要依靠數(shù)據(jù)中的規(guī)律進(jìn)行預(yù)報(bào),而不使用人類建立的物理方程。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

相比于人類最準(zhǔn)確的HRES預(yù)報(bào),GraphCast在1380個(gè)測試指標(biāo)中,90%的預(yù)測結(jié)果都更為準(zhǔn)確。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

如果把預(yù)測范圍限制在對流層,GraphCast擊敗HRES的指標(biāo)比例更是高達(dá)99.7%。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

YC上有網(wǎng)友表示,用“impressive”已經(jīng)不足以形容這項(xiàng)成果了。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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那么,GraphCast的預(yù)測表現(xiàn)具體是怎樣的呢?Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

90%指標(biāo)超越人類最好方法Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在劃分出的100萬多個(gè)網(wǎng)格上,GraphCast劃分出的每個(gè)網(wǎng)格都能夠產(chǎn)生227條預(yù)測數(shù)據(jù)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

其中包括了37個(gè)不同高度上,每個(gè)高度的6個(gè)大氣變量(包括比濕度、風(fēng)速和風(fēng)向以及溫度等)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在地球表面,GraphCast還可以預(yù)測包括溫度、風(fēng)速和風(fēng)向以及平均海平面壓力等在內(nèi)的5個(gè)變量。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

完整的變量種類和具體高度(以氣壓表示,單位:hPa)如下表所示:Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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為了比較GraphCast和HRES的表現(xiàn),研究人員從歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA5再分析數(shù)據(jù)中選取了2018年(GraphCast訓(xùn)練數(shù)據(jù)截止2017年)的歷史數(shù)據(jù)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

研究者分別讓HRES和GraphCast站在當(dāng)時(shí)的情況下進(jìn)行“預(yù)測”,然后比較它們的“預(yù)測”和ERA5進(jìn)行比較。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在500hPa高度場上,GraphCast的RMSE(均方根誤差,數(shù)值越低表現(xiàn)越好)和ACC(異常相關(guān)系數(shù))指標(biāo)都顯著優(yōu)于HRES。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

而在研究人員選取的50-1000hPa的1380個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中,GraphCast有90.3%優(yōu)于HRES,89.9%優(yōu)勢顯著(下圖d組中,藍(lán)色表示GraphCast優(yōu)于HRES,越深優(yōu)勢越明顯)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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除了這些數(shù)據(jù),GraphCast在極端天氣的預(yù)測上也有明顯優(yōu)勢。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

對于熱帶氣旋路徑,GraphCast中位誤差低于HRES,特別是在前4.75天開始,優(yōu)勢開始變得明顯(下圖a、b)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在根據(jù)大氣河流(Atmospheic River)進(jìn)行水汽通量預(yù)測時(shí),GraphCast的RMSE值也明顯低于HRES(下圖c)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

預(yù)測熱浪時(shí),GraphCast在提前12小時(shí)、5天、10天時(shí),準(zhǔn)確度也都比HRES高(下圖d)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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今年9月,GraphCast成功在登陸前9天預(yù)測了北大西洋的颶風(fēng)Lee,而使用傳統(tǒng)方法最多提前6天預(yù)報(bào)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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GraphCast不僅準(zhǔn)確度高,預(yù)測速度也非常快。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

在一臺Google TPU v4機(jī)器上使用GraphCast進(jìn)行10天預(yù)測,只需不到一分鐘就能完成。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

相比之下,使用HRES等傳統(tǒng)方法,即使在超級計(jì)算機(jī)上也要花費(fèi)數(shù)個(gè)小時(shí)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

那么,GraphCast是如何實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的氣象預(yù)測的呢?Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

不使用物理方程,預(yù)測全靠數(shù)據(jù)分析Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

工作流程上,輸入從6小時(shí)前開始到當(dāng)前的氣象數(shù)據(jù),GraphCast就可以預(yù)測未來6小時(shí)的天氣。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

而預(yù)測出的數(shù)據(jù)可以作為新的“當(dāng)前”態(tài),繼續(xù)往后迭代預(yù)測,最長可以預(yù)測到10天后的天氣狀況。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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原理層面,GraphCast使用機(jī)器學(xué)習(xí)方式和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)架構(gòu),其中包括編碼器和解碼器各一層,以及中間層16層,參數(shù)量為3670萬。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

它僅通過學(xué)習(xí)已有氣象數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測,不依賴人類建立的物理方程。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

GraphCast將0.25度網(wǎng)格的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼映射到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過傳遞計(jì)算后的結(jié)果再由解碼器還原為氣象數(shù)據(jù)。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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訓(xùn)練時(shí),GraphCast使用的是來自ERA5數(shù)據(jù)集中的1979-2017這近四十年天氣的再分析數(shù)據(jù),包括了衛(wèi)星圖像、雷達(dá)和氣象站測結(jié)果。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

ERA5是基于4DVar方法和同化觀測生成的全球最優(yōu)重構(gòu)資料,涵蓋時(shí)間從上世紀(jì)40年代至今,空間則覆蓋全球。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

而如果使用更近期的數(shù)據(jù),GraphCast的預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度還能繼續(xù)提高。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

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下一步,DeepMind計(jì)劃構(gòu)建集合預(yù)報(bào)模型,以適應(yīng)實(shí)際情況中天氣的不確定性,進(jìn)一步增強(qiáng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

論文地址:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2336Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

參考鏈接:Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[1]https://deepmind.google/discover/blog/graphcast-ai-model-for-faster-and-more-accurate-global-weather-forecasting/Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

[2]https://www.ft.com/content/ca5d655f-d684-4dec-8daa-1c58b0674be1Yl028資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com

本文鏈接:http://www.www897cc.com/showinfo-25-25994-0.html1分鐘預(yù)測10天天氣數(shù)據(jù) DeepMind 90%指標(biāo)超越人類最強(qiáng)模型

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