數(shù)據(jù)來源：ERA5 版權(quán)：哥白尼氣候變化服務(wù) / 歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）
圖1 相對(duì)于 1991-2020 年，1979-2023 年 6 月的全球地表氣溫異常情況
法國皮埃爾·西蒙·拉普拉斯氣候研究所所長(zhǎng)羅伯特·沃塔爾（Robert Vautard）解釋，本月的熱浪“不是單一現(xiàn)象，而是多種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生??但它們都被一個(gè)因素強(qiáng)化了：氣候變化?！?sup style="font-size: 12px;">[1]世界氣象組織5月發(fā)布的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，未來五年至少有98%的可能將出現(xiàn)有記錄以來最熱天氣，打破2016年因厄爾尼諾現(xiàn)象創(chuàng)下的高溫紀(jì)錄。[2]
人類引起的氣候變化，已經(jīng)影響到全球各個(gè)地區(qū)，熱浪、強(qiáng)降水、干旱和熱帶氣旋等極端天氣就是證據(jù)。伴隨著熱浪，溫暖的大氣含有更多的水分，強(qiáng)降雨的頻率和強(qiáng)度升高，嚴(yán)重地可能引起洪水。更多面積的土地遭受干旱影響，同時(shí)伴隨著野火的風(fēng)險(xiǎn)。全球范圍內(nèi)強(qiáng)烈熱帶氣旋的比例增加，從而增加沿海地區(qū)的脆弱性。復(fù)合洪水（風(fēng)暴潮、極端降雨和河流泛濫）的可能性上升。[3]
AI幫助天氣預(yù)報(bào)和極端天氣預(yù)警
隨著氣候變化使天氣變得極端和難以預(yù)測(cè)，我們需要更可靠的預(yù)報(bào)來幫助準(zhǔn)備和預(yù)防災(zāi)害。7月5日發(fā)表在《自然》雜志上的兩篇論文表明，新的AI系統(tǒng)可以顯著加快天氣預(yù)報(bào)過程，并使預(yù)測(cè)和極端天氣警報(bào)更加準(zhǔn)確。這兩篇文章的作者分別來自于中國的華為云團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)。
第一篇論文《利用3D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行準(zhǔn)確的中期全球天氣預(yù)報(bào)》，詳細(xì)介紹了華為云盤古大模型的原理。盤古大模型通過建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和39年的再分析數(shù)據(jù)訓(xùn)練，將歷史天氣觀測(cè)與現(xiàn)代模型相結(jié)合，突破了AI預(yù)報(bào)天氣精度不及傳統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)的世界性難題。盤古可以在短短幾秒鐘內(nèi)同時(shí)分析所有天氣變量，完成對(duì)全球氣象的預(yù)測(cè)，并且預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度與世界領(lǐng)先的傳統(tǒng)天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)之一（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的業(yè)務(wù)綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)）相當(dāng)。
傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，而盤古大模型則依賴于再分析數(shù)據(jù)。華為的高級(jí)研究員謝凌曦表示，希望未來能夠用觀測(cè)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練盤古大模型。他還指出AI在預(yù)警極端天氣方面的不足，雖然AI可以幫助預(yù)測(cè)熱帶氣旋的路徑，但它無法預(yù)測(cè)其強(qiáng)度，“人工智能往往會(huì)低估極端天氣”。
除了更快速地預(yù)測(cè)天氣，新的AI技術(shù)還能幫助預(yù)警極端天氣。第二篇論文《使用NowcastNet熟練地預(yù)報(bào)極端降水》，研究了極端降水臨近預(yù)報(bào)大模型NowcastNet，該模型結(jié)合物理建模和深度學(xué)習(xí)來進(jìn)行極端降水預(yù)報(bào)，在國際上首次將降水臨近預(yù)報(bào)的時(shí)效延長(zhǎng)至3小時(shí)，而現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)降雨預(yù)測(cè)工具（如DeepMind的DGMR）僅可預(yù)測(cè)90分鐘內(nèi)的降雨可能性。62名中國氣象學(xué)家經(jīng)評(píng)估認(rèn)為在約70%的情況下，NowcastNet是最佳的極端降水預(yù)測(cè)方法。
極端降雨可能導(dǎo)致巨大的損失和破壞，能夠在極端天氣預(yù)警方面給人們爭(zhēng)取更多時(shí)間非常重要。目前NowcastNet大模型已經(jīng)在國家氣象中心短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)（SWAN3.0）部署上線，將為全國極端降水天氣短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供支撐。
盤古、NowcastNet、Nvidia的FourcastNet和Google-DeepMind的GraphCast等AI模型使氣象學(xué)家重新考慮如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)幫助天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警。AI可以分析氣候系統(tǒng)中許多復(fù)雜變量，以改進(jìn)氣候模型，做出更好的預(yù)測(cè)，幫助人們更好地準(zhǔn)備和適應(yīng)。AI在天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警方面已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的潛力。[4]
人工智能如何成為
應(yīng)對(duì)氣候變化的有力工具
近幾個(gè)月來，人工智能幾乎已成為大型語言模型（LLM）的代名詞，但在科學(xué)領(lǐng)域，多種不同的模型架構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生更大的影響，尤其在氣候行動(dòng)領(lǐng)域。作為新興技術(shù)，人工智能具備巨大的潛力應(yīng)對(duì)氣候變化，能夠廣泛應(yīng)用于氣候模型和預(yù)報(bào)、能源優(yōu)化、農(nóng)業(yè)和食物安全、碳捕集與封存、氣候融資等范疇。AI逐漸被視為一項(xiàng)評(píng)估和減緩氣候變暖的重要工具。根據(jù)2022年波士頓咨詢集團(tuán)發(fā)布的《人工智能如何成為應(yīng)對(duì)氣候變化的有力工具》，87%在人工智能和氣候領(lǐng)域擁有決策權(quán)的公共和私營部門首席執(zhí)行官，認(rèn)為人工智能是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要工具。
來源：《AI 如何成為應(yīng)對(duì)氣候變化的有力工具》
圖2 應(yīng)對(duì)氣候變化的 AI 框架
這份由全球人工智能聯(lián)盟（AI for the Planet Alliance）、波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）和BCG GAMMA合作制作的報(bào)告，提出了“應(yīng)對(duì)氣候變化的AI框架”（如圖2所示）。該框架指出使用AI來實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)的三大主題：減緩、適應(yīng)和復(fù)原以及基礎(chǔ)。
減緩：人工智能最關(guān)鍵的用途之一是測(cè)量、減少和消除排放和溫室氣體（GHG）效應(yīng)。根據(jù)BCG的經(jīng)驗(yàn)，使用AI可以減少5%至10%的溫室氣體排放，如果在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，則可以減少26億至53億噸的二氧化碳當(dāng)量。
適應(yīng)和復(fù)原：適應(yīng)氣候變化，增強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)期氣候趨勢(shì)和極端天氣事件影響的抵御能力，是政策制定者和公眾的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。AI非常適合幫助預(yù)測(cè)與氣候相關(guān)的災(zāi)害，既包括改進(jìn)對(duì)海平面上升等局部事件的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，也包括颶風(fēng)或干旱等極端現(xiàn)象的緊急預(yù)警。
基礎(chǔ)：AI可用于支持有關(guān)氣候變化的研究和教育工作，幫助利益相關(guān)者了解風(fēng)險(xiǎn)和影響，并鼓勵(lì)分享。這些努力支持并擴(kuò)大了正在進(jìn)行的減緩、適應(yīng)和復(fù)原工作。
BCG氣候人工智能調(diào)查報(bào)告還指出了AI五個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，即收集、完善和處理數(shù)據(jù)；增強(qiáng)規(guī)劃和決策制定；優(yōu)化流程；支持協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)和鼓勵(lì)氣候友好行為。在收集、完善和處理數(shù)據(jù)方面，AI可以利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)產(chǎn)生有關(guān)消費(fèi)者行為和偏好、工業(yè)過程和供應(yīng)鏈的新數(shù)據(jù)，允許使用新類型和組合的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以填補(bǔ)氣候相關(guān)數(shù)據(jù)集的缺失。在加強(qiáng)規(guī)劃和決策制定方面，AI可用于解決復(fù)雜的多層次問題，生成多種政策方案，量化基線，模擬運(yùn)營，并評(píng)估結(jié)果，幫助人類專家做出明智的決策。在優(yōu)化流程方面，AI可應(yīng)用于解決優(yōu)化問題，例如，優(yōu)化供應(yīng)鏈，降低產(chǎn)品的碳足跡等。在支持協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)方面，AI可用于加強(qiáng)全球溝通和協(xié)調(diào)氣候目標(biāo)，支持不同機(jī)構(gòu)間溫室氣體排放等數(shù)據(jù)更快速、安全地共享和分析。在鼓勵(lì)氣候友好行為方面，AI可應(yīng)用于推薦系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)整建議以傾向氣候友好的選項(xiàng)。[5]
在每種情況下，人工智能本身并不是解決方案，而是幫助領(lǐng)導(dǎo)者和群眾做出明智的判斷，以應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)。
以下是人工智能幫助應(yīng)對(duì)氣候變化的幾個(gè)具體例子。人工智能可以幫助開發(fā)更輕更堅(jiān)固的材料，使得風(fēng)力渦輪機(jī)或飛機(jī)更輕，從而消耗更少的能源。它可以設(shè)計(jì)使用更少資源、增強(qiáng)電池儲(chǔ)存能力或改善碳捕集的新材料。它可以管理來自各種可再生能源的電力，監(jiān)控能源消耗，并在智能電網(wǎng)、發(fā)電廠、供應(yīng)鏈和制造業(yè)中識(shí)別提高效率的機(jī)會(huì)。人工智能系統(tǒng)可以幾乎實(shí)時(shí)監(jiān)控洪水、森林砍伐和非法捕魚。它可以通過分析農(nóng)作物圖像來識(shí)別可能存在的營養(yǎng)、病蟲害問題，從而使農(nóng)業(yè)更加可持續(xù)。AI機(jī)器人被用于在寒冷到人類難以承受的極地收集數(shù)據(jù)，或在海洋中進(jìn)行研究。AI系統(tǒng)甚至可以通過尋找提高數(shù)據(jù)中心能源效率的方法來實(shí)現(xiàn)自身環(huán)保。
使用人工智能解決氣候危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)
有些觀點(diǎn)認(rèn)為，如果不仔細(xì)部署工具，使用人工智能來解決氣候危機(jī)可能會(huì)弊大于利。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的2023年報(bào)告稱，“包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人技術(shù)和人工智能在內(nèi)的數(shù)字技術(shù)，可以改善各個(gè)行業(yè)的能源管理，它們能夠在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)的同時(shí)，提高能源效率，促進(jìn)分布式可再生能源等低排放技術(shù)的采用。然而，由于數(shù)字設(shè)備的使用會(huì)導(dǎo)致對(duì)商品和服務(wù)的需求增長(zhǎng)，這可能會(huì)減少或抵消一些氣候變化減緩的成果?！?sup style="font-size: 12px;">[6]僅僅將人工智能作為氣候解決方案，可能會(huì)掩蓋住一個(gè)事實(shí)，即氣候變化與全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)相關(guān)。
人工智能的使用有時(shí)甚至對(duì)氣候有害。例如，綠色和平組織的一份報(bào)告稱，石油和天然氣公司部署人工智能和高級(jí)分析來“加速勘探和開采”，據(jù)估計(jì)，到2025年，這可能會(huì)為該行業(yè)帶來高達(dá)4250億美元的附加值。
另外，人工智能工具自身有能源問題，背后的碳足跡驚人。2019年，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員訓(xùn)練了多個(gè)大型語言模型，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練單個(gè)AI模型，排放超過626,000磅二氧化碳，相當(dāng)于5輛汽車一生的排放量。最近的一項(xiàng)研究報(bào)告稱，使用1750億個(gè)參數(shù)訓(xùn)練GPT-3消耗了1287兆瓦時(shí)的電力，并導(dǎo)致了502噸二氧化碳當(dāng)量，相當(dāng)于駕駛112輛汽油動(dòng)力汽車一年。
一旦部署模型，推理（人工智能對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)并響應(yīng)查詢的模式）可能會(huì)比訓(xùn)練消耗更多的能量。谷歌估計(jì)，人工智能用于訓(xùn)練和推理的能源中，60%用于推理，40%用于訓(xùn)練。據(jù)估計(jì)，GPT-3的每日碳足跡有50磅，相當(dāng)于一年8.4噸二氧化碳。[7]
對(duì)此，測(cè)量碳足跡、利用可再生能源、優(yōu)化算法和調(diào)整模型，是使人工智能更加節(jié)能環(huán)保的方式。
確實(shí)，氣候變化是當(dāng)今世界面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一，而人工智能是引領(lǐng)未來的新興戰(zhàn)略技術(shù)之一。盡管人工智能無法單獨(dú)解決氣候危機(jī)，但將其融入到氣候行動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。在不久的將來，我們可能會(huì)看到這項(xiàng)技術(shù)在冷卻地球方面取得了巨大進(jìn)展。我們既期盼更綠色環(huán)保的人工智能，也期盼人工智能能夠在應(yīng)對(duì)氣候變化上發(fā)揮巨大作用，就像期盼盛夏不再酷熱難耐。
來源：《中國教育網(wǎng)絡(luò)》2023年7月刊
撰文：余秀
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