AI 將衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成 3D 水汽地圖，把模糊的圖像快照變成風(fēng)暴監(jiān)測(cè)細(xì)節(jié)。

一個(gè)多世紀(jì)以來，氣象學(xué)家們一直在用手工演算、方程式來追蹤風(fēng)暴，如今則用上了超級(jí)計(jì)算機(jī)。然而，盡管技術(shù)不斷進(jìn)步，氣象學(xué)家仍在一個(gè)看似簡(jiǎn)單的因素上屢屢受挫，那就是水汽。

濕度是雷暴、暴洪和颶風(fēng)的無形“燃料”。它決定了一場(chǎng)雨是匆匆而過的小雨，還是能讓你飛奔著尋找遮蔽處的夏季傾盆大雨。而迄今為止，衛(wèi)星始終難以捕捉到足夠詳細(xì)的濕度數(shù)據(jù)，無法在天色驟變之前向我們發(fā)出預(yù)警。

來自弗羅茨瓦夫環(huán)境與生命科學(xué)大學(xué)（UPWr）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)或許能改變這一現(xiàn)狀。在本月發(fā)表于《衛(wèi)星導(dǎo)航》期刊的一篇論文中，研究人員介紹了深度學(xué)習(xí)如何將基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的模糊大氣快照轉(zhuǎn)化為清晰的 3D 濕度地圖，從而揭示出影響局部天氣狀況的隱藏漩渦。

其秘訣是超分辨率生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（SRGAN），這種 AI 技術(shù)最廣為人知的用途是讓粗糙的照片變得清晰。研究人員并未以名人或風(fēng)景作為訓(xùn)練對(duì)象，而是用全球氣象數(shù)據(jù)訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)，并借助了 NVIDIA GPU 的強(qiáng)大算力。最終，來自導(dǎo)航衛(wèi)星的低分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)被“升級(jí)”為高分辨率濕度地圖，誤差大幅減少。

在波蘭，這種技術(shù)將誤差降低到了原來的 62%；在美國(guó)加利福尼亞州，即便在最容易出現(xiàn)預(yù)報(bào)偏差的雨天，誤差也減少了 52%。與以往那些會(huì)把細(xì)節(jié)模糊成水彩畫般效果的方法相比，這種 AI 技術(shù)能生成清晰的梯度信息，與地面儀器觀測(cè)到的結(jié)果完全吻合。

而且，由于天氣預(yù)報(bào)既關(guān)乎準(zhǔn)確性又關(guān)乎可信度，該團(tuán)隊(duì)還加入了一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：可解釋 AI。他們利用 Grad-CAM 和 SHAP 等可視化工具，展示了該模型在做決策時(shí)“關(guān)注”的區(qū)域。令人安心的是，AI 的“目光”落在了易發(fā)生風(fēng)暴的區(qū)域（波蘭的西部邊境、美國(guó)加州沿海山脈），這些地方正是預(yù)報(bào)員們所熟知的大氣容易變得惡劣的地方。

該論文的主要作者、UPWr 的助理教授 Saeid Haji-Aghajany 表示：“在預(yù)測(cè)那些會(huì)擾亂人們生活的天氣時(shí)，高分辨率、可靠的濕度數(shù)據(jù)是目前缺失的一個(gè)環(huán)節(jié)。我們的方法不僅提高了 GNSS 層析成像的清晰度，還向我們展示了模型如何做出決策。隨著 AI 進(jìn)入天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，這種透明度對(duì)于建立信任至關(guān)重要?！?/p>

這個(gè)方法的潛在影響是巨大的。將這些更清晰的濕度場(chǎng)輸入基于物理或 AI 驅(qū)動(dòng)的天氣模型之后，天氣模型就能在突發(fā)暴雨或暴洪前進(jìn)行預(yù)報(bào)。在天氣驟變的地區(qū)，人們就可以有足夠的時(shí)間做好準(zhǔn)備。

而這一切都取決于一個(gè)常常被忽視的因素：不是雷聲，不是閃電，而是濕度。