华为“盘古”何以十秒预报全球七日天气

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华为“盘古”何以十秒预报全球七日天气

天气预报是研究大气系统演变的重要科学手段，同时对社

会发展和国家战略至关重要。它带来的经济效益和社会价值巨

大。在世界范围内，天气预报所贡献的经济效益高达 1620 亿

美元，至少占全球 GDP 的0.185%。在中国，约 40%的GDP

受到天气和气候的影响，尤其在农业生产中，天气预报的作用

更为突出。近年来，全球气候变暖加剧，极端气象灾害频发，

给人类生产生活带来巨大挑战。普及早期预警机制，不仅每年

可避免高达 130 亿美元的财产损失，更能拯救无数生命。

传统天气预报的历史、原理和瓶颈

数值天气预报理论源于上世纪初。1904 年，挪威科学家

Bjerknes 便提出通过数学物理方程来预测天气，但因算力不足

难以实践。1922 年，英国气象学家 Richardson 动员大量人

力，历经 6周，以手工纸笔的方式完成了首次 6h“预报”。

1950 年，美国气象学家 Charney 首次利用电子计算机，

“仅”花费 24h 便完成了 24h 的预报，在气象学界引起巨大轰

动。随着计算机性能提升，数值天气预报逐步成熟，预报时长

延长至 5—7 天，分辨率也从数百公里精细至几公里。

数值天气预报的基本原理在于，首先将雷达、卫星等观测

资料，形成网格化的温度、气压、湿度、风速等气象变量，并

通过求解大气动力学方程模拟其未来演变。数十年来，科学家

们不断完善复杂的偏微分方程系统，力求更准确地描述大气的

变化动态。

近年来，数值预报方法在精度和速度上遭遇瓶颈。精度提

升缓慢，时效性平均每十年才提升一天。欧洲中期天气预报中

心（ECMWF）数据显示，2012—2022 年间，多个气象要素

的3—7 天预报误差减少不到 5%，原因是偏微分方程的误差累

积和观测数据的不完整和不准确性。同时，天气预报对计算资

源的消耗巨大，需要超级计算机持续不断地运算才能满足实际

需求，使许多欠发达国家难以建立自己的数值预报系统。

人工智能大模型让天气预报越来越准

人工智能技术的飞速发展，深刻改变了人们的生产和生活

当传统数值预报面临挑战时，人们好奇人工智能能否用于天气

预报，并超越传统方法？2023 年7月，我国科研团队给出了

积极回应。华为云计算技术有限公司田奇团队开展的“盘古气

象大模型”项目，采用适配地球坐标的三维神经网络与层次化

时域聚合策略，实现了精准的全球中期气象预报。经过全球天

气再分析数据训练，该模型能准确预报 7天内多层气象要素等，

相比全球领先的 ECMWF 系统，预报时效提高约 0.6 天，热带

气旋路径预报误差降低 25%。该模型仅需10 秒即可完成全球

7天预报，计算速度提升万倍以上。这一成果入选了2023 年

度“中国科学十大进展”。他们在《自然》杂志上发表论文，

提出了可用于全球中期气象预报的“盘古气象大模型”，不仅

首次超越了传统数值预报的精度，还在台风路径预报上表现卓

越。盘古气象大模型基于深度学习理论，不同于传统数值预报：

不依赖于大气动力学方程，而是构建深度神经网络，将历史上

的气象数据作为训练资料，对神经网络进行调优。田奇团队率

先意识到这类方法的巨大潜力，构建了适用于全球高分辨率中

长期天气预报的三维神经网络大模型。该模型应用三维

transformer 网络架构，采用经典的编码器—解码器设计模式，

并引入地球位置先验和层次化时域聚合策略，有效地提升了训

练效率，降低了推理功耗。

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摘要：

华为“盘古”何以十秒预报全球七日天气天气预报是研究大气系统演变的重要科学手段，同时对社会发展和国家战略至关重要。它带来的经济效益和社会价值巨大。在世界范围内，天气预报所贡献的经济效益高达1620亿美元，至少占全球GDP的0.185%。在中国，约40%的GDP受到天气和气候的影响，尤其在农业生产中，天气预报的作用更为突出。近年来，全球气候变暖加剧，极端气象灾害频发，给人类生产生活带来巨大挑战。普及早期预警机制，不仅每年可避免高达130亿美元的财产损失，更能拯救无数生命。传统天气预报的历史、原理和瓶颈数值天气预报理论源于上世纪初。1904年，挪威科学家Bjerknes便提出通过数学物理方程来预测天...

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