关于人工智能提高预测极端天气能力的故事通常始于强大的飓风。正如《科学美国人》今年详细介绍的那样，去年 9 月李飓风穿过大西洋时，使用传统天气模型的科学家们在飓风登陆加拿大前六天就清楚地知道了飓风将前往何处。登陆前九天，一个实验性人工智能名为 GraphCast 的建模系统预测了这一结果。正如威廉·J·布罗德 (William J. Broad) 最近在《纽约时报》上所写，今年 7 月初，当飓风贝里尔 (Beryl) 席卷加勒比海时，一家欧洲气象机构预测，这场风暴很可能会袭击墨西哥，尽管也有可能在其他地方登陆。在欧洲气象局预测的同一天，A.I.软件预测飓风将在德克萨斯州登陆，四天后飓风就袭击了这里。
所以 A.I.比其他方法更早预测某些风暴的正确路径。但在我们研究这些成就的重要性之前，先了解一下传统天气预报和人工智能是如何实现这一目标的历史会有所帮助。工作。
几十年来，我们通过数值天气预报获得了天气预报。卫星、气象站和浮标收集温度、湿度和其他变量等数据，并将其输入巨型超级计算机。超级计算机生成代表地球大气层的立方体网格，并利用物理学来观察立方体如何相互作用。俄克拉荷马大学的计算机科学家兼气象学家艾米·麦戈文说，你不能直接模拟大气的物理现象，因为大气太复杂了。您试图模拟其中一小部分区域发生的情况，然后尝试弄清楚它如何与其他区域相互作用。
简而言之，这些模型是使用当前天气对大气层的模拟预测未来的大气状况。但这些模型可能需要在巨型超级计算机上运行数小时，进行千万亿次计算才能生成预测。然后，气象学家会根据预测结果完善特定区域的预测。
虽然美国气象学会在 20 世纪 80 年代开始推广和推进人工智能，但在过去的二十年里，人工智能的使用确实取得了进步。所以主要通过三个方式。首先，20多年来，预报员一直在进行所谓的后处理，即采用错误的数值天气模型并使用人工智能来预测。改进预测的方法。其次，在过去大约十年左右的时间里，专家们开发了混合模型，其中人工智能的一些部分。被插入数值天气预报模型以加快速度。
那些使用人工智能的方法。仍然融入了物理学，但人工智能的第三次重大革命已经发生。在过去几年中，这种方法的发展势头强劲，它使用的是完全不包含物理原理的数据驱动模型。人工智能。基于大约 40 年免费提供的天气数据训练的模型使用相同的收集的天气数据，这些数据被输入超级计算机并创建预测。但他们不必进行数万亿次计算来得出预测，而是只需寻找数据中的模式即可。为此，A.I.模型可以在普通计算机（甚至是普通笔记本电脑）上运行，并在几秒钟内给出预测。由于运行几乎不需要任何时间，A.I.可以在数值天气模型的时间内生成数千个预测，从而使气象学家能够看到更广泛的可能结果。
但是，气象学家对这些快速的新人工智能有多少信任呢？极端天气的预测？
麦戈文，美国国家科学基金会人工智能的领导者。可信人工智能研究所俄克拉荷马大学天气、气候和海岸海洋学 (AI2ES) 博士是最佳人选。她一直在研究人工智能。二十年的天气预报经验。
在成长过程中，麦戈文受到第一位进入太空的美国女性莎莉·莱德 (Sally Ride) 的启发，并想成为一名宇航员。随着年龄的增长，她对地球科学以及如何使计算机变得更智能以帮助人类产生了兴趣。2002 年，她在卡内基梅隆大学获得计算机科学学士学位，并在马萨诸塞大学阿默斯特分校获得博士学位。当俄克拉荷马大学为她提供了一份专注于人工智能的工作时。2005年开始，天气不好，她抓住了这个机会。因为尽管她想离开地球，但她一直对地球科学感兴趣，而这份工作将使她实现利用计算机帮助人类的目标。她说，天气是一个我们可以真正拯救生命和财产的应用程序。我当时想，这是完美的搭配。
要了解她在过去二十年中学到了什么关于人工智能的前景。为了预测极端天气，我们问了她几个问题。
人工智能将如何预测极端天气？改变或改进对龙卷风、冰雹或飓风等极端天气事件的预测？
龙卷风和冰雹是我研究过很多的东西，我认为人工智能。在后处理意义上仍然得到更多使用。目前，龙卷风的平均预警时间为 15 分钟。如果你可以将警告时间延长至 30 或 45 分钟（使用人工智能），并且你可以提高空间分辨率，以便存在一个警告区域，但我将使其尽可能缩小，这样我知道这正是在龙卷风来袭的地方，我认为可以提高拯救生命和财产的能力。我们确实在人工智能方面取得了一些有希望的成果。这对于龙卷风和冰雹都可以做到这一点。
与此相关的另一个问题是对流的启动，即雷暴的开始。对流引发对于飞机湍流预测很重要。他们有机载雷达，但视野不佳。但如果他们知道风暴即将在哪里形成，他们就可以避免飞越某个区域，这可能有助于缓解湍流。
飓风是一种规模更大的事件，因此更容易预测。这些新系统开始预测飓风将前往何处以及何时发展。这些现在还不能真正制造龙卷风，因为它们的规模太小了。我认为这些系统显示出一些前景，能够比当前系统提前给我们更多天的时间。
是否有人工智能的东西。现在可以比数值天气预报做得更好吗？
我有两个学生正在研究类似的想法，一个是关于对流引发，另一个是关于冰雹。他们实时获取过去 30 分钟内发生的观察结果，然后在大约 30 秒内为您提供预测。太酷了。这是 A.I.可以做到数值天气预报却无法做到，因为我们没有能够做到这一点的计算机。
人工智能是否存在风险？可能会错过与气候变化相关的异常事件，因为它从已经发生的事件中学习？
显然，是的，因为它没有物理定律。一切都在发生巨大的变化，以至于很难预测。我的意思是，你如何预测你从未见过的洪水事件？如果你有一些物理学知识，你至少可以给自己一些信心。我的意思是，数值天气预报事件很难预测他们从未见过的事件，但它们可以。
我之前看到你说过的一件事是你想创建人工智能。这是值得信赖的。你能解释一下你的意思吗？
这就是我的 NSF A.I.研究所重点关注。您看到了我们的长名字：NSF A.I.值得信赖的人工智能研究所天气、气候和沿海海洋学。我们专注于理解信任人工智能意味着什么。模型以及预测者信任或不信任它意味着什么。许多天气情况都是生死攸关的情况，您需要决定如何疏散或发出警告或类似的事情。值得信赖的模型是您相信能够为您做出决策提供适当输入的模型。
在我们的例子中，它不会取代人类。它为那些人类预报员提供输入，但他们相信它所提供的信息。
我们已经有了人工智能吗？
NOAA 内部正在运行一些预测[国家海洋和大气管理局]，因此这些显然是值得信赖的。我们一切都在吗？不。
你提到了 NOAA。还有谁已经在使用 A.I.预测极端天气事件？
私营企业也在使用人工智能。并非所有人都会告诉您他们在做什么。一些小公司只是直截了当地告诉你他们正在使用人工智能，但他们并没有告诉你太多相关信息。需要注意的是，我正在为一家私营工业公司提供咨询服务，该公司现在还是一家初创公司，所以我知道他们在做什么。我知道它正在发生。还没有多少人在谈论内部方法。
欧洲人，他们使用人工智能吗？
他们有一个模型，称为 AIFS，即人工智能。他们的 IFS（综合预报系统）版本。AIFS 是一个可与 Google 模型和 NVIDIA 模型以及所有其他模型相媲美的模型，我认为从长远来看，它能够向您提供一些不错的飓风警报，除了他们在欧洲将其称为热带气旋。还有热浪。
当人们从人工智能那里获取信息时。模型，他们是否将其与数值天气模型的信息结合使用？
是的。目前它本身还没有被使用。
您正在与某些机构和学院合作开发人工智能证书。你能告诉我一些关于它是什么以及你希望用它完成什么吗？
这是 AI2ES 工作的一部分，也就是我们的 NSF A.I.研究所。该证书是由德尔马学院开发的，该学院是德克萨斯州南部的一所为西班牙裔和少数族裔服务的学院。他们在科珀斯克里斯蒂。他们已经制作了原型。他们有一群已经毕业的学生。我们试图接触不同的受众并试图让人工智能。让更多人参与到人工智能中来通过与一家为西班牙裔服务、少数族裔服务的机构合作，我们接触到的受众与我们在典型大学中所接触的受众不同，并试图帮助人工智能领域实现多元化。和人工智能
我还了解到您正在与 K-12 学生一起进行人工智能方面的工作。
这也是由 Del Mar 领导的。他们太棒了。他们为 K-12 学生开展了一项外展活动，教他们一般的编码知识，然后教他们一些基本的人工智能。概念。有一年我下去参观了他们的营地。他们做得很好。他们教孩子们如何驾驶无人机，教他们如何对无人机进行编程，如何对他们的小机器人进行编程以四处奔跑并完成不同的任务，并让孩子们对他们可以用人工智能做的事情感到兴奋。
你认为A.I.预测会取代人类气象学家吗？
嗯，预测的时间很长。未来五到十年怎么样？
好吧。听起来不错。
在接下来的五到十年里，我们仍然需要人类气象学家，因为我们仍然需要人类的专业知识。他们的物理知识仍然非常重要。我经常被问到：你们正在开发东西来取代气象学家吗？不。我们正在开发一些东西来为他们提供更多选择，以便他们能够专注于将预测转化为可操作的信息，以便人们做出更好的决策。人类在这方面比人工智能要好得多。现在就是。
为了篇幅和清晰度，本次采访已进行了编辑。
完整图像来源：Emily Lankiewicz 插图/来自 NOAA GOES-16 卫星的 ABI 图像 - AWS S3 Explorer/美国宇航局/马修·多米尼克