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(yáng),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(wú)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(guó)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。
人工智能如何作用于氣候?
天氣預(yù)報(bào)
幾十年來(lái),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(guò)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(lái)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(guò)去幾年內(nèi),數(shù)百家世界知名公司公開(kāi)承諾通過(guò)減少排放與購(gòu)買碳補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)零碳排放,并相應(yīng)調(diào)整運(yùn)營(yíng)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(jué)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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。
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(wàn)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(wèn)題歷來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guó)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(lái)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)夂蚰M作出的卓越貢獻(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(wàn)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(kāi)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(kāi)源AI平臺(tái)Hugging Face以及美國(guó)宇航局NASA發(fā)布了全球最大開(kāi)源AI基礎(chǔ)模型Prithvi,以幫助分析衛(wèi)星圖像。
Prithvi由NASA提供過(guò)去一年在美國(guó)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(wàn)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(lái)作出貢獻(xiàn)。
華為
國(guó)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(guó)際頂級(jí)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(lái)。
華為從2020年開(kāi)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(lái)24小時(shí)的全球天氣預(yù)測(cè),比現(xiàn)有方法快了一萬(wàn)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(lái)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(lái)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(lái)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(guó)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(guó)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(guò)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(lái)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(guó)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)。
綠色未來(lái),就在前方
毫無(wú)疑問(wèn),我們?nèi)祟愓媾R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{。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完美無(wú)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(guó)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(lái)。
【聲明】:本文為元宇宙之心運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)原創(chuàng),未經(jīng)允許嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載,如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系我們,文章版權(quán)和最終解釋權(quán)歸元宇宙之心所有。
原文標(biāo)題 : 當(dāng)AI遇上氣候變化:一場(chǎng)科技與自然的博弈
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