氣候預(yù)測面臨挑戰(zhàn) 人工智能扭轉(zhuǎn)乾坤

氣候?qū)＜覀円恢敝铝τ陬A(yù)測未來幾十年內(nèi)全球氣候變暖的情況，但是他們用于分析氣候變化的軟件，往往都是些已經(jīng)有幾十年歷史的“老古董”了。

這種傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)很難再引入近年來出現(xiàn)的新方法，對其進(jìn)行更新。因此，一個研究人員聯(lián)盟現(xiàn)在正在致力于從零開始，編寫一個可以綜合利用AI，新的軟件工具和NVIDIA GPU的新氣候模型。

該項目名為氣候建模聯(lián)盟(Climate Modeling Alliance，簡稱CLMA)，由眾多來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、海軍研究生院和NASA噴氣推進(jìn)實驗室的科學(xué)家們所組成。

麻省理工學(xué)院海洋學(xué)教授、該項目首席研究員Raffaele Ferrari表示：“自上世紀(jì)60年代以來，計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。相比起那時，我們現(xiàn)在知道的更多，但是當(dāng)初氣候模型剛被開發(fā)出來時，很多內(nèi)容都是以硬編碼的形式編碼到氣候模型中的?！?/p>

從頭開始建立一個新的氣候模型，能夠讓氣候研究人員們更好地考慮小規(guī)模的環(huán)境特征，包括云層、降雨、海冰和海洋湍流等。

在地理學(xué)范疇中，這些變量都太小，無法在氣候模型中精確捕捉，但是利用人工智能可以更精準(zhǔn)地捕捉到這些變量。與現(xiàn)有模型相比，在新的氣候模型中引入人工智能的預(yù)測，可以將不確定性減少一半。

該團(tuán)隊正在使用Julia開發(fā)新的模型。Julia是麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種編程語言，其倍設(shè)計用于并行和分布式計算，它允許科學(xué)家使用NVIDIA V100 Tensor核心GPU在本地和谷歌云上加速他們的氣候模型計算。

隨著項目的進(jìn)展，研究人員計劃使用超級計算機(jī)，比如橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Labs) 的GPU驅(qū)動的Summit系統(tǒng)，以及商業(yè)云資源來運(yùn)行新的氣候模型——他們希望在未來五年內(nèi)運(yùn)行該模型。

人工智能扭轉(zhuǎn)乾坤

氣候?qū)W家能夠使用物理和熱力學(xué)方程來計算環(huán)境變量(如氣溫、海平面和降雨量)的演變。但是如果要對整個星球施行這些計算的話，就需要非常高的計算量。因此，在現(xiàn)有的模型中，研究人員以100平方公里為單位，將地球劃分為一個剖面網(wǎng)格。

他們獨(dú)立地計算每100公里的區(qū)塊，使用數(shù)學(xué)近似方法來處理較小的地理特征，如海洋中的湍流漩渦和天空中的低洼云 ，這種方法可以測量不到一公里的距離。但是，當(dāng)將網(wǎng)格串聯(lián)回一個全局模型時，其輸出的結(jié)果往往會產(chǎn)生一定的不確定性。

微小的不確定性所產(chǎn)生的影響可能是巨大的，尤其是當(dāng)氣候科學(xué)家為政策制定者們估算全球平均氣溫上升2攝氏度以上需要多少年的時候。根據(jù)目前的不確定性水平，研究人員預(yù)測，以目前的排放水平來看，這一門檻能會在2040年到2100年之間被突破，精確度僅為60年。

“消除不確定性還存在著巨大的空間，” Ferrari說?！凹幢阒唤档鸵稽c(diǎn)點(diǎn)的不確定性，就可以收到數(shù)萬億美元的社會效益回報。例如，如果人們更清楚降雨模式變化的可能性，那么從土木工程師到農(nóng)民的每個人都可以預(yù)先知道他們可能需要規(guī)劃的基礎(chǔ)設(shè)施和實踐?！?/p>

對海洋數(shù)據(jù)的深入研究

麻省理工學(xué)院的研究人員正在專注于構(gòu)建CliMA的新氣候模型分析海洋元素對氣候變化的影響。海洋覆蓋了地球表面70%的面積，是主要的熱量和二氧化碳儲存庫。為了做出與海洋相關(guān)的氣候預(yù)測，科學(xué)家們研究了水溫、鹽度和洋流速度等變量。

Ferrari說， “洶涌的水流是一個重要的變量，他們就像許多小風(fēng)暴一樣在海洋中流動。如果你不去計算所有這些漩渦運(yùn)動，就會嚴(yán)重低估海洋吸收熱量和碳的方式?！?/p>

使用GPU，研究人員可以將高分辨率模擬的分辨率從100平方公里縮小到1平方公里，極大地減少了不確定性。但這些模擬太過昂貴，無法直接納入一個展望未來幾十年的氣候模型。

這就是人工智能模型可以從精細(xì)分辨率的海洋和云模擬中學(xué)習(xí)的地方。

麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系首席研究工程師Chris Hill表示：“我們的目標(biāo)是以每100×100公里的區(qū)塊為單位，運(yùn)行數(shù)千個高分辨率模擬，，這樣將能夠解決當(dāng)前氣候模型沒有捕捉到的小規(guī)模物理問題?！?/p>

這些高分辨率模擬能夠產(chǎn)生豐富的合成數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以與更稀疏的真實測量數(shù)據(jù)相結(jié)合，為人工智能模型創(chuàng)建一個完善的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，該模型可以用于評估海洋湍流和云模式等小規(guī)模物理現(xiàn)象對大規(guī)模氣候變量的影響。

然后，氣候研究人員可以將這些人工智能工具插入新的氣候模型軟件中，提高長期預(yù)測的準(zhǔn)確性。

Hill說， “我們相信GPU技術(shù)可以提高計算性能?！?/p>

今年6月，麻省理工學(xué)院舉辦了為期一周的GPU黑客馬拉松，Hill的團(tuán)隊以及來自其他大學(xué)的研究團(tuán)隊等開發(fā)者使用CUDA并行計算平臺和Julia編程語言進(jìn)行海洋建模、等離子體聚變和天體物理學(xué)等項目。