Odkryto niemal nieomylną prognozę pogody. Naukowcy są na nie

Aurora potrafi nie tylko przewidywać pogodę, ale także jakość powietrza, wysokość fal oceanicznych czy trajektorie huraganów z precyzją zawstydzającą dotychczasowe rekordy. Jednak mimo imponujących wyników, część ekspertów zachowuje sceptycyzm wobec modeli AI, które - jak ostrzega Amy McGovern z Uniwersytetu Oklahomy - nie znają praw fizyki i mogą generować zupełnie absurdalne scenariusze.

Aurora to nie zwykły model pogodowy, lecz prawdziwy szwajcarski scyzoryk meteorologii. Ten model podstawowy (foundation model) został wytrenowany na największym w historii zbiorze danych atmosferycznych - ponad milionie godzin informacji z satelitów, radarów i stacji meteorologicznych. Dzięki elastycznej architekturze AI system potrafi przewidywać nie tylko temperaturę czy opady, ale także jakość powietrza, fale oceaniczne, a nawet trajektorie cyklonów tropikalnych.

Czytaj też:

Przykład możliwości Aurora robi wrażenie: w lipcu 2023 r., gdy oficjalne prognozy kierowały supertajfun Doksuri ku północnemu wybrzeżu Tajwanu, Aurora trafnie przewidziała, że żywioł uderzy w Filipiny - cztery dni przed faktem. Ten sam model przewidział także piaskową burzę w Iraku na dzień przed jej wystąpieniem, zużywając nieporównanie mniej mocy obliczeniowej niż klasyczne modele chemiczne jakości powietrza.

Architektura Aurory składa się z trzech kluczowych elementów: kodera konwertującego różnorodne dane wejściowe w uniwersalną reprezentację 3D, procesora ewoluującego tę reprezentację w czasie oraz dekodera tłumaczącego standardową reprezentację 3D z powrotem na fizyczne predykcje.

Tradycyjne modele meteorologiczne działają w oparciu o prawa fizyki, ale są kosztowne i wolne - potrzebują godzin pracy superkomputerów. Aurora, bazująca na głębokim uczeniu maszynowym, generuje prognozy w ciągu sekund. Według badaczy działa aż 5000 razy szybciej i kilkaset razy taniej niż dotychczasowe systemy.

W testach porównawczych Aurora wykazała się niezwykłą skutecznością. Model generuje 10-dniowe prognozy pogody o wysokiej rozdzielczości, przewyższając wiodące modele numeryczne w 92 proc. zmiennych. Podczas badań Aurora wygenerowała 5-dniowe prognozy globalnego zanieczyszczenia powietrza w mniej niż minutę. Co więcej przewyższa dokładność wiodącego modelu AI Google GraphCast w 94 proc. badanych parametrów.

Szczególnie imponujące są wyniki w prognozowaniu ekstremalnych zjawisk pogodowych. Po raz pierwszy system sztucznej inteligencji może prześcignąć wszystkie centra operacyjne w prognozowaniu huraganów. Opierając się wyłącznie na historycznych danych Aurora była w stanie prawidłowo prognozować wszystkie huragany w 2023 r., dokładniej niż centra prognozowania, w tym amerykańskie Narodowe Centrum Huraganów.

Europejskie Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (ECMWF) już wdrożyło własny system AI, który testowana przez ostatnie 18 miesięcy eksperymentalna wersja wykazała jako około 20 proc. dokładniejszy w kluczowych prognozach niż najlepsze tradycyjne metody. Nowy system może przewidywać trasę cyklonu tropikalnego z 12-godzinnym wyprzedzeniem, co daje dodatkowy czas na ostrzeżenie przed ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi.

Wśród innych rozwijanych systemów prognozowania opartych na AI znajdują się GenCast i GraphCast od Google DeepMind, Pangu-Weather od Huawei, FourCastNet od Nvidii oraz FuXi, opracowany przez Szanghajską Akademię Nauk i Uniwersytet w Fudan. Wszystkie zostały wytrenowane na bazie danych meteorologicznych gromadzonych przez ECMWF przez ponad 40 lat.

Mimo imponujących wyników część ekspertów zachowuje ostrożność wobec modeli AI w meteorologii. Amy McGovern, informatyk i meteorolog z Uniwersytetu Oklahomy, którа nie brała udziału w badaniach nad Aurora, ostrzega: Model nie zna praw fizyki, więc może wymyślić coś całkowicie szalonego. Ta fundamentalna różnica między modelami AI a tradycyjnymi systemami opartymi na równaniach fizycznych stanowi źródło niepokoju części społeczności naukowej.

Grzegorz Walijewski z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej podkreśla (na łamach RMF), że model to jest tylko i wyłącznie pewien dodatek, pewne wsparcie. Jak wyjaśnia synoptyk, konieczny jest czynnik ludzki, który przeanalizuje dane wygenerowane przez AI: Tutaj trzeba połączyć pewne elementy, a jeszcze tego nie potrafi zrobić maszyna za nas. Więc tutaj tak naprawdę ten człowiek na końcu musi być

Dr. Paris Perdikaris, który kierował rozwojem Aurory w Microsofcie, przyznaje, że modele prognozowania AI wymagają ostrożnej kalibracji i walidacji przez człowieka przed szerokim wdrożeniem. Jednak niektóre są już testowane w rzeczywistych warunkach – wspomniane ECMWF wykorzystuje Aurora wraz z innymi systemami AI w swoich usługach pogodowych, z pozytywną oceną dotychczasowych doświadczeń.

Aurora może być wykorzystywana do wielu zadań predykcyjnych wykraczających poza tradycyjną meteorologię. System może śledzić i przewidywać jakość powietrza, zmiany pogody czy burze tropikalne powstające na skutek zmian klimatu. Microsoft udostępnił kod źródłowy i wagi modelu publicznie, pozwalając deweloperom na pobieranie i rozwijanie Aurory celem wprowadzania dalszych innowacji.

MSN Weather od Microsoftu już teraz wykorzystuje zaawansowane modelowanie AI Aurora. Zespół usługi opracował wyspecjalizowaną wersję modelu zdolną do generowania prognoz godzinowych i dodawania większej liczby parametrów pogodowych, w tym opadów i zachmurzenia.

Możliwości Aurory wykraczają znacznie poza meteorologię. Model może być dostrojony do przewidywania cyrkulacji oceanicznej, lokalnej i regionalnej pogody, sezonowych zmian pogodowych, wzrostu roślinności i fenologii, ekstremalnych zjawisk pogodowych takich jak powodzie i pożary, wzorców zapylania, produktywności rolniczej, produkcji energii odnawialnej oraz zasięgu lodu morskiego.

Aurora reprezentuje znaczący postęp w czynieniu działalnych prognoz dostępnymi dla każdego. Dzięki możliwości dostrojenia Aurory do różnorodnych dziedzin zastosowań przy skromnych kosztach obliczeniowych model stanowi zauważalny postęp w demokratyzacji dokładnych i efektywnych prognoz systemu ziemskiego.

Jednak pytanie pozostaje otwarte: czy AI rzeczywiście może zastąpić doświadczonych meteorologów, czy też stanowi jedynie narzędzie wspomagające? Aurora bez wątpienia reprezentuje przełom w dziedzinie prognozowania pogody i systemu ziemskiego. Imponująca prędkość, dokładność i wszechstronność modelu otwierają nowe możliwości dla meteorologii i wielu powiązanych dziedzin. Jednak zastrzeżenia naukowców dotyczące ograniczeń AI w rozumieniu podstawowych praw fizyki przypominają, że technologia ta, choć rewolucyjna, nadal wymaga ludzkiego nadzoru i interpretacji.

Prawdziwa rewolucja w prognozowaniu pogody prawdopodobnie nastąpi przez połączenie najlepszych cech tradycyjnych modeli fizycznych z mocą obliczeniową i wzorcami rozpoznawanymi przez AI. Aurora może nie uczynić prognozy pogody sprawą trywialną, ale niewątpliwie czyni ją znacznie bardziej dostępną, szybką i potencjalnie dokładną.