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1分鐘預測10天天氣數據 DeepMind 90%指標超越人類最強模型

來源: 責編: 時間:2023-11-15 17:16:51 261觀看
導讀 谷歌DeepMind實驗室推出的天氣預測大模型,已在Science雜志發表。 只需要不到1分鐘,它就能直接預測出未來10天的天氣。 準確度上,它在90%的指標上超越了最先進的人類系統,在AI氣象模型中屬首次! Dee

谷歌DeepMind實驗室推出的天氣預測大模型,已在Science雜志發表。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

只需要不到1分鐘,它就能直接預測出未來10天的天氣。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

準確度上,它在90%的指標上超越了最先進的人類系統,在AI氣象模型中屬首次!DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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DeepMind的這個氣象模型名叫GraphCast,目前已經開源。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

它的分辨率為0.25度經度/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。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

這樣的分辨率相當于將地球表面分割成了超過100萬個網格,而每個網格又可以產生數百條預測數據,總計數量達到了上億規模。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

不同于傳統的預測方式,GraphCast預測主要依靠數據中的規律進行預報,而不使用人類建立的物理方程。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

相比于人類最準確的HRES預報,GraphCast在1380個測試指標中,90%的預測結果都更為準確。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

如果把預測范圍限制在對流層,GraphCast擊敗HRES的指標比例更是高達99.7%。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

YC上有網友表示,用“impressive”已經不足以形容這項成果了。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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那么,GraphCast的預測表現具體是怎樣的呢?DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

90%指標超越人類最好方法DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在劃分出的100萬多個網格上,GraphCast劃分出的每個網格都能夠產生227條預測數據。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

其中包括了37個不同高度上,每個高度的6個大氣變量(包括比濕度、風速和風向以及溫度等)。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在地球表面,GraphCast還可以預測包括溫度、風速和風向以及平均海平面壓力等在內的5個變量。DHA28資訊網——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:DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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為了比較GraphCast和HRES的表現,研究人員從歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的ERA5再分析數據中選取了2018年(GraphCast訓練數據截止2017年)的歷史數據。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

研究者分別讓HRES和GraphCast站在當時的情況下進行“預測”,然后比較它們的“預測”和ERA5進行比較。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在500hPa高度場上,GraphCast的RMSE(均方根誤差,數值越低表現越好)和ACC(異常相關系數)指標都顯著優于HRES。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

而在研究人員選取的50-1000hPa的1380個數據點中,GraphCast有90.3%優于HRES,89.9%優勢顯著(下圖d組中,藍色表示GraphCast優于HRES,越深優勢越明顯)。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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除了這些數據,GraphCast在極端天氣的預測上也有明顯優勢。DHA28資訊網——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,優勢開始變得明顯(下圖a、b)。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在根據大氣河流(Atmospheic River)進行水汽通量預測時,GraphCast的RMSE值也明顯低于HRES(下圖c)。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

預測熱浪時,GraphCast在提前12小時、5天、10天時,準確度也都比HRES高(下圖d)。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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今年9月,GraphCast成功在登陸前9天預測了北大西洋的颶風Lee,而使用傳統方法最多提前6天預報。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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GraphCast不僅準確度高,預測速度也非常快。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

在一臺Google TPU v4機器上使用GraphCast進行10天預測,只需不到一分鐘就能完成。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

相比之下,使用HRES等傳統方法,即使在超級計算機上也要花費數個小時。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

那么,GraphCast是如何實現高效準確的氣象預測的呢?DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

不使用物理方程,預測全靠數據分析DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

工作流程上,輸入從6小時前開始到當前的氣象數據,GraphCast就可以預測未來6小時的天氣。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

而預測出的數據可以作為新的“當前”態,繼續往后迭代預測,最長可以預測到10天后的天氣狀況。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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原理層面,GraphCast使用機器學習方式和圖神經網絡(GNN)架構,其中包括編碼器和解碼器各一層,以及中間層16層,參數量為3670萬。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

它僅通過學習已有氣象數據實現預測,不依賴人類建立的物理方程。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

GraphCast將0.25度網格的氣象數據進行編碼映射到神經網絡,經過傳遞計算后的結果再由解碼器還原為氣象數據。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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訓練時,GraphCast使用的是來自ERA5數據集中的1979-2017這近四十年天氣的再分析數據,包括了衛星圖像、雷達和氣象站測結果。DHA28資訊網——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重構資料,涵蓋時間從上世紀40年代至今,空間則覆蓋全球。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

而如果使用更近期的數據,GraphCast的預測結果準確度還能繼續提高。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

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下一步,DeepMind計劃構建集合預報模型,以適應實際情況中天氣的不確定性,進一步增強預報準確性。DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

論文地址:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2336DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

參考鏈接:DHA28資訊網——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/DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

[2]https://www.ft.com/content/ca5d655f-d684-4dec-8daa-1c58b0674be1DHA28資訊網——每日最新資訊28at.com

本文鏈接:http://www.www897cc.com/showinfo-25-25994-0.html1分鐘預測10天天氣數據 DeepMind 90%指標超越人類最強模型

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