人工智能應用于氣象業務的現狀及發展趨勢

趙澤皓 孔譽旋

摘 要：自20世紀50年代提出人工智能以來，在70年代后期就有人提出將人工智能引入氣象領域，以推動氣象事業的發展。隨著近幾年人工智能的迅速發展，以及氣象與人們的衣食住行聯系得越來越緊密，人工智能已經迅速滲透到人們的生活中，并逐漸改變人們的生活方式。因此，利用人工智能改善氣象領域的預報預測服務逐漸成為氣象行業和社會大眾的迫切需求。

關鍵詞：氣象;人工智能;發展趨勢

中圖分類號：P409 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0148-03

Current situation and Development Trend of Artificial Intelligence Applied

in Meteorological Service in Foreign Countries

ZHAO Zehao1，2 KONG Yuxuan1，2

（1.Xinyang Meteorological Service，Xinyang Henan 464000;

2. Henan Xinxian Capital Experimental School，Xinxian Henan 465550）

Abstract： Since artificial intelligence was put forward in the 1950s， it has been proposed to introduce artificial intelligence into the field of Meteorology in the late 1970s to promote the development of meteorology. With the rapid development of artificial intelligence in recent years， as well as the increasingly close relationship between weather and people's clothing， food， housing and transportation， artificial intelligence has rapidly penetrated into people's lives， and gradually changed people's lifestyle. Therefore， the use of artificial intelligence to improve the forecast service in the field of Meteorology has gradually become an urgent demand of the meteorological industry and the public.

Keywords： weather;artificial intelligence;developing trend

隨著社會的發展和進步，人類對簡便快捷的生活方式需求越來越高，而這促進了各種高科技材料和技術的發展。其次，在生態環境問題日益突出的今天，人類對生存環境的要求也越來越高。這對現有氣象服務范圍和研究內容提出了更高的要求。而將人工智能應用于氣象服務，有利于提升氣象服務質量。本文主要探討國外人工智能應用于氣象業務的現狀及發展趨勢。

1 人工智能、氣象學發展

人工智能（Artificial Intelligence，AI），是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支，試圖了解智能的實質，并生產出一種新的能與人類智能相似的方式做出反應的智能機器[1]。

氣象學是研究氣象變化特征和規律的學科。氣象是大氣的各種物理、化學狀態和現象——冷、熱、干、濕、風、云、雨、雪、霜、雷電等的統稱[2]。天氣預報或氣象預報是使用現代科學技術對未來某一地點地球大氣層的狀態進行預測，從史前人類起，就開始對天氣進行預測，以使人們根據相應的天氣安排工作與生活。現在的天氣預報主要是使用收集大量的數據（氣溫、濕度、風向和風速、氣壓等），然后使用目前對大氣過程的認識（氣象學）來確定未來空氣變化，對水利電力、民航運輸等部門工作的開展具有重要影響。

2 人工智能現狀

2.1 國外現狀

在人工智能技術研發和應用方面，歐美處于世界領先水平。美國充分認識到人工智能的戰略意義，一直注重該技術的研發，從國家戰略層面開始加緊布局，卓越的技術研發機構為人工智能的發展奠定了雄厚的技術基礎，取得了大批令人矚目的研發成果。2016年，美國抓緊對人工智能的研發公布了多項規劃，尤其值得關注的是，2016年10月，美國國家科技委連續發布了兩個重要戰略文件，即《為人工智能的未來做好準備》和《國家人工智能研究與發展戰略規劃》，并將人工智能上升到國家戰略層面，為美國人工智能的發展制定了宏偉的計劃和發展藍圖[3]。美國領跑人工智能發展潮流，在戰略層面上高度重視。同時，資本與政策共同發力，挖掘最具潛力的創業企業。IBM五大巨子為代表自覺構成人工智能伙伴關系，通過合作的方式推進推動人工智能的鉆研和推廣。這種新型的巨頭集團式發展模式，成為人工智能時代的亮點，能保證技術方案的效益最大化。在未來，還有更多企業和機構加入，其中用戶組織、非營利組織、倫理學家和其他盈利相關者都會圍繞生態圈進行更大范圍的研究和開發。英國人工智能發展與行業應用緊密結合，注重使用價值，注重時效性，強調“綜合施治、合力發展”。在產學研的轉換周期上，更加快速落地。德國政府在工業機器人發展的初級階段發揮著重要作用，其后，產業需求引領工業機器人向智能化、輕量化、靈活化和高能效化方向發展。2012年，德國推行了以“智能工廠”為重心的“工業4.0計劃”，工業機器人推動生產制造向靈活化和個性化方向轉型。

2.2 國內發展現狀

作為全球第二大經濟體，在世界各國緊鑼密鼓地制定人工智能發展規劃的時候，中國也正抓住這個新興產業的發展契機，陸續出臺了人工智能相關的發展政策，并將人工智能上升到國家戰略層面。此外，國家在人工智能人才培養政策上持續發力，建設人工智能學院的高校數量急劇增加。近年來，各高校培養了一批人工智能相關人才，人才團隊也逐漸壯大。雖然與發達國家相比，中國的人工智能研究起步晚，但隨著國家政策的大力支持及科技、制造等業界巨大的布局深入，人工智能產業的規模將進一步擴大。目前，中國在機器學習、自然語言處理和計算機視覺三個領域竟然顯著，具有領先優勢。當前，人工智能的浪潮席卷了全球，人工智能領域的公司也在不斷集中。到2016年初，全球共有957家人工智能公司;2015年，全球人工智能市場規模達74.5億美元，預計2017年到2020年間為107億～183億美元，復合年均增長率保持約為20%。2015年，我國人工智能市場規模12億元，2017年到2020年為27億～91億元人民幣，復合年增長率保持約為50%。由于世界各國的整體人工智能技術水平、法律法規以及各自的資源都存在著很大不同，因此各國人工智能政策的關注重點都各有特色。美國的人工智能政策著眼于應對人工智能蓬勃發展的大趨勢，產業布局也相對完善，基礎層、技術層和應用層都有涉及;中國的人工智能政策在初期偏向于互聯網領域，因此相關產業主要集中于應用層;日本側重于建立相對完整的人工智能研發促進機制;歐盟相對關注人工智能所帶來的倫理和道德問題。當前，在國家政策的推動下，人工智能日益成為引領世界未來的戰略性技術，越來越多的國家制定了發展戰略與規劃，人工智能競爭日趨白熱化，最終結果也將直接影響未來國際格局演變的進程。

3 我國氣象部門人工智能服務現狀

3.1 人工智能應用于氣象業務總體設計工作逐步展開

近年來，大數據人工智能等新興技術不斷發展，為氣象現代化水平提升提供了契機。為了加快智慧氣象服務系統建設，國家氣象中心自2013年起與清華大學軟件學院就預報系統大數據應用展開合作，并取得一定成果。國家氣象中心一直在推進人工智能在氣象預報領域的應用，已經在全國26個省市進行部署。

3.2 人工智能工作得到進一步加強

人們正逐步從小數據時代向大數據時代邁進，大數據改變了人們的生活，也給人們帶來了某種安全威脅。氣象部門基于氣象“專有云+公共云”，部署橫向集成、縱向貫通、開放共享、標準統一的氣象大數據云平臺，構建“一級集約，兩級部署，互聯一體”的全國氣象大數據業務布局。在“國家-省”兩級層面構建了氣象大數據基礎設施系統、氣象大數據核心技術系統、氣象大數據智能應用系統等，并構建了集觀測、預報、服務、科研、管理、培訓于一體的氣象大數據云平臺，在助力智慧氣象發展方面已經取得了很大成就[4]。

4 人工智能氣象業務發展趨勢

4.1 氣象與人工智能結合越來越緊密

人離不開天氣，離不開大自然。人們就生活在大自然中，每天呼吸空氣，感受陰晴冷暖。如果沒有自然環境，人們就無法生存。生存在這樣的環境中，人們就要更加適應這個環境，即了解其變化。由此，人們就要知道天氣，就要做天氣預報。我國幅員遼闊，天氣復雜多變。氣象的精準預報或者預測，在指導農作物生產或者人們生活中都具有重要作用。而基于大數據的人為活動數據去分析當前最需要的氣象信息，去提供服務，這就是實際需求和人工智能的問題。

4.2 人工智能氣象業務的基礎將不斷加強

目前，人工智能的應用領域包括機器翻譯、智能控制、專家系統、機器人學、語言和圖像理解、遺傳編程機器人工廠、自動程序設計、航天應用、巨量信息處理、儲存與管理及人類無法執行的或復雜或規模龐大的任務等[5]。

實際上，人工智能早已被應用于氣象領域，如天氣預報專家系統、智能天氣信息采集系統、智能預報系統、智能氣象信息發布系統及天氣預報中的人工神經網絡等。在氣象領域，有智能控制、專家系統、圖像理解、自動化程序設計、大數據處理、儲存與管理等與人工智能相關。

4.3 國內與國際結合越來越緊密

從20世紀90年代，IBM就與美國國家海洋和大氣管理局合作，幫助政府開發短期天氣預報模式。2015年初，隨著大西洋颶風季的到來，IBM曾與天氣公司聯合推出城市災害管理解決方案，利用智能分析特點，結合實時氣象數據為人們提供更準確的自然災害預測。近年來，俄羅斯Yandex在利用人工智能開展短時臨近天氣預報、實時更新小尺度區域天氣提升用戶體驗方面花了很大力氣。Yandex.Weather制作天氣預報的核心技術是深度學習神經網絡Yandex.Meteum，其可以將搜集來的雷達圖像及其他數據進行轉化。當Yandex用戶查看天氣預報時，Yandex.Meteum會向Yandex.Weather應用程序界面發起請求，并將用戶位置發送給它。Yandex.Weather開始搜集被請求區域的相關天氣數據，并通過Yandex.Meteum將該用戶習慣和所在地服務數據混合計算，計算出未來數小時內的天氣情況，并將精確產品信息發送給用戶。整個過程會在一秒之內完成。中國的“CLDASV2.0”產品為覆蓋亞洲區域（0～65°N，60～160°E），0.062 5°×0.062 5°與1小時分辨率的等經緯度網格融合分析產品，包括大氣驅動場產品、地表溫度分析產品、土壤濕度產品、土壤溫度分析產品和土壤相對濕度分析產品等5種產品。該數據集利用多種來源地面、衛星等觀測資料，采用多重網格變分同化、最優插值、概率密度函數匹配、物理反演、地形校正等技術研制而成，在中國區域質量優于國際同類產品，且時空分辨率更高，實時產品實時更新發布，滯后1h。

4.4 人工智能氣象業務將逐步形成

人工智能經過60年的低谷和高峰的沉淀，已經逐步滲透到人們的生活，且逐步改變著人們的生活。阿爾法狗和李世石的圍棋對戰讓人工智能的成果更加直接地呈現給人們。實際上，人工智能早已在氣象領域得到應用，例如，智能天氣信息推送、各種模式的專家系統、智能預報等等。氣象領域涉及人工智能的智能控制、專家系統、巨量信息處理、儲存與管理等多種應用領域。各國氣象局都在積極提升氣象業務的自動化程度，人工智能時代的氣象業務將指日可待。

5 結語

人工智能在氣象領域的應用已經起步，未來其應用將會不斷加深。為了取得良好的預報服務效果，有效借助人工智能的數據質量控制、多災種天氣預警能力、產品制作以及決策服務能更好地進行分析，但天氣氣候系統是一個內部極其復雜的具有多個不穩定源的高階非線性系統，其內部的相互作用也能導致隨機性和復雜性，所以輸入、輸出、邊界值、初始值、物理機制都不是確定的，人工智能需要更高階的算法。但人工智能在氣象領域的發展是不可阻擋的，是氣象事業進階的機遇，亦是人工智能技術進步的表現。

參考文獻：

[1]毛杰，鄒奕成.人工智能的發展現狀及其難點問題分析[J].科教導刊（電子版），2016（8）：138.

[2]劉紅霞.氣象因子對華北落葉松生長量影響研究[D].保定：河北農業大學，2009.

[3]謝威.基于觸覺信息的人機交互接觸狀態模式識別算法研究[D].武漢：武漢理工大學，2017.

[4]韓鑫強，薛蕾，王博.新一代天氣雷達數據流重傳機制設計與實現[J].氣象科技進展，2018（1）：117-122.

[5]蘇德中.多維度提升生活幸福指數“互聯網+”[J].互聯網經濟，2015（4）：52-57.