AI WeatherLearning the Atmosphere
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Initial Conditions · 起点

天气预报
开始不再只靠方程

任何天气预报,都从一个看似简单却极其困难的问题开始:这一刻,整个地球的大气究竟是什么状态?

Forecast ≠ Observation·Current State of the Atmosphere
AI Weather · Learning the Atmosphere
— 2026 —
Chapter I · Before Forecast
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Data Assimilation · 数据同化

数千万次观测,
拼成一个地球

现代天气预报的第一台机器,不负责预测未来,而负责尽可能准确地重建现在。

观测告诉我们
刚刚发生了什么
卫星、飞机、船舶、浮标、气象站和雷达,各自提供一小块信息。
短期预测告诉我们
其余地方应该怎样
系统把观测与前一次预测放在一起,寻找最合理的当前状态。
Quality-controlled observations
≈ 60million
ECMWF 业务初始条件背后的观测规模
Data Assimilation · ECMWF
02 · 13
Chapter I · The Physics Engine
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Numerical Weather Prediction · NWP

然后,让方程
推动大气

得到当前状态以后,传统天气预报把地球大气表示成大量三维网格,再用物理方程一步一步向未来推进。

Initial State → Physics → Next State
01
Initial State
温度、气压、湿度、风,以及当前大气变量。
02
Grid
把地球切成大量三维网格。
03
Physics
计算流体和热力学过程如何改变状态。
04
Next State
重复计算下一个时刻,再下一个时刻。
Physics-based forecast·Step by step
NWP · A physics-based forecast
03 · 13
Chapter I · The Cost
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Compute · 计算代价

精度来自计算

更细的网格、更复杂的物理过程和更多可能的未来,都意味着更多计算。

01
更细的网格
全球环流、云、降水和地表过程,都会增加需要计算的单元。
02
更多物理过程
大气不是一条公式,而是许多相互作用的过程叠在一起。
03
更多可能未来
为了估计不确定性,气象中心不能只运行一次模型。
传统系统的问题不是“不准确”。
而是:为了获得这种准确度,它必须计算很多东西。
— ECMWF · Ensemble Forecasting
Compute · Accuracy has a cost
04 · 13
Chapter II · The Shift
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Learned Forecasting · 机制转折

AI 换掉了
最昂贵的一步

如果我们已经知道过去几十年大气是如何变化的,是否还需要每次重新求解全部方程?

Physics Solver · 传统路径
明确写进代码中的物理规律
从当前状态出发,逐步求解大气如何运动。
Learned Transition Model · 学习路径
从历史天气中学习状态演化
输入当前大气状态,直接预测下一个状态,再把结果送回模型。
The Shift · From solving to learning
05 · 13
Chapter II · First Breakthrough
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GraphCast · 2023

十天,
不到一分钟

训练完成以后,“运行一次未来”突然变得非常便宜。

Forecast Horizon
10days
全球天气状态的中期预测
Inference Time
< 60s
单台 Google TPU v4 上完成一次预测
Verification Targets
89.3%
2760 个变量与预报时效组合中的报告结果
GraphCast·0.25° global grid·Science · 2023
GraphCast · Google DeepMind
06 · 13
Chapter III · From Lab to Service
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AIFS Goes Operational · 25 Feb 2025

2025,AI
开始正式预报天气

真正重要的节点不是论文发表,而是气象中心愿不愿意把 AI 放进每天运行的业务系统。

AIFS·与 IFS 并行运行·≈1000× lower forecasting energy use
AIFS · ECMWF operational forecast
07 · 13
Chapter III · Many Futures
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Ensemble Forecasting · 集合预测

未来不是
一个答案

天气具有不确定性,所以有用的预测不仅要告诉你“会发生什么”,还要告诉你“还可能发生什么”。

01
微小差异
当前大气无法被无限精确地测量,微小差异会随时间放大。
02
51 个未来
AIFS ENS 一次产生 51 个稍有差异的 AI 预测成员。
03
分裂或收敛
未来越一致,可信度越高;路线越快分裂,不确定性越大。
便宜到可以同时探索很多个未来。
— AIFS ENS · ECMWF · July 2025
AIFS ENS · 51 possible futures
08 · 13
Chapter III · Efficiency Scale
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NOAA · AIGFS · December 2025

16 天,
只用 0.3%

当 AI 进入美国国家级业务系统,计算效率的差异进一步变得具体。

Forecast Horizon
16days
一次 AIGFS 全球预测的时效
Runtime
≈ 40min
NOAA 报告的单次预测时间
GFS Compute
0.3%
相对于业务 GFS 的计算资源占用
AIGFS·Artificial Intelligence Global Forecast System
NOAA / NCEP · AIGFS
09 · 13
Chapter IV · Where AI Helps
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Cyclone Tracks · 热带气旋路径

AI 很会判断
风暴往哪走

路径主要受更大尺度的大气环流控制,而学习这些大尺度结构,恰好是当前 AI 模型表现很强的领域。

Track · 路径
目前 AI 的突出强项
GraphCast、AIFS 和 NOAA AIGFS 的报告,都指向更好的热带气旋路径预测。
Large-scale structure · 大尺度结构
它学到的是风暴所处的环境
这不是“平均天气不错”,而是在真正重要的高影响任务上产生价值。
Track ≠ Intensity·最高约 20% 路径提升 · ECMWF
Cyclone Tracks · A current AI strength
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Chapter IV · The Boundary
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The Smoothing Problem · 技术边界

但 AI 会把
风暴“抹平”

Better Track ≠ Better Intensity

确定性机器学习模型可能很好地预测路径,却低估气旋强度。平均误差优化,会让罕见极端值变得过于平滑。

Heavy rain·Peak wind·Central pressure
Intensity Bias · ECMWF AIFS Research 2026
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Chapter V · The Foundation
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Not Physics-Free · 不是脱离物理

AI 仍站在
物理模型肩膀上

AI 没有每次显式求解传统天气方程,不等于它已经摆脱了观测、数据同化和物理建模建立的基础。

The inherited foundation
01
Observations
全球观测提供真实世界的线索。
02
Data Assimilation
物理系统重建完整的当前状态。
03
ERA5
几十年的再分析资料成为训练基础。
04
AI or Physics
从同一个初始状态探索不同预测路径。
ObservationsInitial StateAI or Physics Forecast
ERA5 · Data Assimilation · ECMWF
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Chapter V · The Next System
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Hybrid Forecasting · Physics + AI

未来不是替代,
而是并行

AI 开始替代传统预测链条中的部分计算方式,但物理模型仍在高分辨率、耦合地球系统过程和初始状态中不可替代。

只有一种昂贵的天气模拟器
正在变成多种可以同时运行的地球预测系统。
— Physics + AI · ECMWF Hybrid Systems
More futures·Faster recalculation·Mutual verification
AI Weather · The forecast is becoming plural
— END —