在 NVIDIA Modulus 中訓(xùn)練 CorrDiff

本文在示例中展示了超分辨率和新通道合成，以訓(xùn)練 CorrDiff 將臺(tái)灣周圍 25 公里的 ERA5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 2 公里數(shù)據(jù)。

這一數(shù)據(jù)由臺(tái)灣氣象部門（CWA）使用高分辨率區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型生成。該數(shù)據(jù)集在 CC BY-NC-ND 4.0 許可證下可用于非商業(yè)用途，并且可通過 NGC 下載。有關(guān)該模型的具體說明，請(qǐng)參閱 /NVIDIA/modulus GitHub 資源庫中的“入門”部分。

NVIDIA Modulus 除易于使用外，另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是性能優(yōu)化。目前，在 NVIDIA Tensor Core GPU 上訓(xùn)練 CorrDiff 需要 2 千至 3 千 GPU 小時(shí)。CorrDiff 團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步優(yōu)化訓(xùn)練程序，以將在類似硬件上生成一個(gè)超分辨率樣本的時(shí)間縮短到只需幾秒鐘。

通過 Modulus 推理 CorrDiff

圖 1. 通過 CorrDiff 方法實(shí)現(xiàn)基于生成式 AI 的降尺度

資料來源：《用于公里尺度大氣降尺度的殘余擴(kuò)散模型》

有關(guān)生成樣本并將其保存到 NetCDF 文件的更多說明，請(qǐng)參閱 /NVIDIA/modulus GitHub 資源庫。運(yùn)行推理需要為回歸和擴(kuò)散模型設(shè)置 Modulus 的 checkpoint。這些 checkpoint 將作為訓(xùn)練流程的一部分而保存。

了解更多信息并獲取訪問權(quán)限，請(qǐng)參閱 NGC 目錄中的 CorrDiff 推理包。

追蹤臺(tái)灣上空的風(fēng)暴

通過如下將 CorrDiff 用于解決極端天氣問題的示例，本文將介紹追蹤臺(tái)灣上空風(fēng)暴所面臨的挑戰(zhàn)。

雖然全球 AI 預(yù)報(bào)模型在預(yù)測(cè)風(fēng)暴路徑方面表現(xiàn)出色，但由于其分辨率有限，僅為 25 公里，無法捕捉精細(xì)尺度細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)通常包含對(duì)風(fēng)暴相關(guān)損害至關(guān)重要的最強(qiáng)風(fēng)力和降水。

在 25 公里的分辨率下，ERA5 輸入數(shù)據(jù)中的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)往往沒有得到充分的解析，導(dǎo)致對(duì)其規(guī)模和強(qiáng)度的描述不準(zhǔn)確。此外，ERA5 還缺少與物理危害相關(guān)的風(fēng)眼墻和雨帶的關(guān)鍵空間細(xì)節(jié)。

臺(tái)灣是全球最潮濕的地區(qū)之一，年降雨量達(dá) 2600 毫米（約為全球平均降雨量的 3 倍），年均災(zāi)害成本高達(dá) 6.5 億美元。造成這一經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的原因是季節(jié)性臺(tái)風(fēng)給島上帶來大量降雨，導(dǎo)致大面積洪澇，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失，并且需要進(jìn)行大規(guī)模疏散。

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是反映災(zāi)害嚴(yán)重程度和頻率、暴露在災(zāi)害中的人員和資產(chǎn)數(shù)量及其易受破壞程度的綜合指標(biāo)。圖 2 是政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC） 2022 年第六次評(píng)估報(bào)告中關(guān)于影響、適應(yīng)性和脆弱性的示意圖。

圖 2. 日益復(fù)雜的氣候相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)

資料來源：IPCC AR6，WG2，第1章，第146-147頁

臺(tái)灣災(zāi)害防救科技中心（NCDR）概述了臺(tái)風(fēng)應(yīng)對(duì)計(jì)劃的四個(gè)階段（圖 3）。

圖 3. 臺(tái)風(fēng)應(yīng)對(duì)計(jì)劃的四個(gè)階段（來源：NCDR）

前兩個(gè)階段，即啟動(dòng)和準(zhǔn)備階段，主要是分析風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)布災(zāi)害警報(bào)。第 3 和第 4 階段，即響應(yīng)和恢復(fù)階段，專門用于監(jiān)控災(zāi)害和實(shí)施應(yīng)對(duì)措施。

NVIDIA 技術(shù)則能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

AI 天氣預(yù)報(bào)的增強(qiáng)功能可強(qiáng)化第 1 和第 2 階段的風(fēng)險(xiǎn)分析。通過改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)技術(shù)，特別是通過更高的分辨率和更大的集合，就可以更加全面地評(píng)估暴露風(fēng)險(xiǎn)。

NVIDIA 開創(chuàng)性的生成式 AI 擴(kuò)散模型—— CorrDiff 模型，正是在臺(tái)灣氣象部門（CWA）納入了雷達(dá)數(shù)據(jù)的高分辨率 WRF 數(shù)據(jù)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的 ERA5 在分析數(shù)據(jù)上訓(xùn)練而成的。

通過 CorrDiff，臺(tái)風(fēng)等極端天氣現(xiàn)象預(yù)測(cè)可以從 25 公里分辨率顯著提高至 2 公里分辨率。

圖 4. 臺(tái)風(fēng)“燦都”的超分辨率圖

在這篇文章中，已經(jīng)證明了通過將 ERA5 從 25 公里降尺度到 2 公里，可以探索更多的本地預(yù)報(bào)情景，從而清晰地描繪出風(fēng)暴的最好情況、最壞影響和最有可能的影響。

圖 5. 臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)集合

評(píng)估不確定性至關(guān)重要。然而，在有限的計(jì)算資源條件下，必須在集合預(yù)報(bào)成員的數(shù)量和分辨率之間做出權(quán)衡。NCDR 制作的預(yù)報(bào)由大約 200 個(gè)不同分辨率的集合成員組成。

CorrDiff 等先進(jìn) AI 技術(shù)的加入帶來了一場(chǎng)重大的變革——即能夠在單個(gè) GPU 節(jié)點(diǎn)上近乎實(shí)時(shí)地將集合預(yù)報(bào)成員數(shù)量擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)。

臺(tái)灣氣象部門前負(fù)責(zé)人鄭明典在談到 NVIDIA 生成式 AI CorrDiff 模型的變革潛力時(shí)，強(qiáng)調(diào)了其徹底變革天氣預(yù)報(bào)的強(qiáng)大能力。鄭明典強(qiáng)調(diào) CorrDiff 能夠生成公里尺度的天氣預(yù)報(bào)，使社會(huì)能夠以前所未有的準(zhǔn)確度預(yù)測(cè)極端天氣事件的細(xì)節(jié)特征，從而幫助減災(zāi)工作開展。

臺(tái)灣災(zāi)害防救科技中心主任陳宏宇對(duì)此表示贊同，并強(qiáng)調(diào)了 CorrDiff 對(duì)于應(yīng)對(duì)前所未有的各種自然災(zāi)害影響方面具有重要意義。他表示 CorrDiff 是一項(xiàng)保障公共安全的創(chuàng)造性解決方案。

實(shí)現(xiàn) AI 氣象普及化并賦能氣候技術(shù)

總而言之，NVIDIA Earth-2 實(shí)現(xiàn)了氣象信息獲取的普及化，體現(xiàn)了將氣候科學(xué)的影響范圍擴(kuò)展到學(xué)術(shù)界之外的現(xiàn)代舉措，使決策者、企業(yè)、記者和民眾都能輕松獲取氣候信息。

作為基于 NVIDIA 生成式 AI 技術(shù)的先進(jìn)降尺度模型，CorrDiff 在各個(gè)領(lǐng)域都大有可為：

在金融服務(wù)領(lǐng)域，CorrDiff 可以幫助用戶在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和資產(chǎn)管理方面做出明智決策；

在能源領(lǐng)域，CorrDiff 的精確降尺度功能可實(shí)現(xiàn)更好的資源分配和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，這對(duì)優(yōu)化能源生產(chǎn)和分配至關(guān)重要；

政府機(jī)構(gòu)可以使用 CorrDiff 加強(qiáng)備災(zāi)和救災(zāi)工作；

個(gè)人用戶可以通過更準(zhǔn)確的本地化天氣預(yù)報(bào)感受到 CorrDiff 對(duì)日常規(guī)劃和安全保障的影響。

憑借自身出色的適應(yīng)性和效率，CorrDiff 可以幫助產(chǎn)出具有可執(zhí)行性的洞察和精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)，助力構(gòu)建建設(shè)一個(gè)更具應(yīng)變能力的世界。

以上就是本期的全部內(nèi)容，本系列文章到此也將告一段落。未來，NVIDIA Earth-2 將持續(xù)為生成式AI推動(dòng)的氣候技術(shù)發(fā)展注入新活力，通過實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確且具成本效益的天氣預(yù)報(bào)，增強(qiáng)對(duì)氣候變化的認(rèn)知與應(yīng)對(duì)能力，助力構(gòu)建更美好的環(huán)境和更可持續(xù)的未來。

審核編輯：劉清