Aurora – 微軟推出的大氣基礎(chǔ)模型

Aurora是什么

Aurora是由微軟研究院開發(fā)的一種具有13億參數(shù)的先進大氣基礎(chǔ)模型，旨在從龐大的氣象數(shù)據(jù)中提煉有價值的見解。該模型廣泛應(yīng)用于全球天氣模式、空氣質(zhì)量和海洋波浪等氣象現(xiàn)象的預(yù)測。通過預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)的雙重架構(gòu)，Aurora能夠有效處理不同分辨率和氣壓水平的數(shù)據(jù)，其計算速度相比傳統(tǒng)的數(shù)值天氣模型快約5000倍，極大地提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和降低了計算成本，為應(yīng)對氣候變化及極端天氣提供了強有力的支持。

Aurora的主要功能

• 高分辨率天氣預(yù)測：Aurora能夠生成全球范圍內(nèi)的高分辨率天氣預(yù)測（如0.1°），覆蓋未來10天的氣象變量，包括溫度、風(fēng)速和氣壓等。
• 空氣污染預(yù)測：該模型可以實時預(yù)測全球范圍內(nèi)的空氣污染水平，包括二氧化氮（NO?）、二氧化硫（SO?）、臭氧（O?）和顆粒物（PM1、PM2.5、PM10）的濃度。
• 海洋波浪預(yù)測：Aurora具備預(yù)測海洋波浪高度、周期與方向的能力，為航運、沿海防護及海洋能源開發(fā)提供支持。
• 熱帶氣旋軌跡預(yù)測：該模型能夠精確預(yù)測熱帶氣旋的移動路徑，為應(yīng)急管理和災(zāi)害防范提供重要的決策依據(jù)。
• 極端天氣預(yù)測：Aurora在預(yù)測極端天氣（如風(fēng)暴、洪水、干旱）方面表現(xiàn)卓越，能夠提前發(fā)出預(yù)警，從而減少潛在的災(zāi)害損失。

Aurora的技術(shù)原理

• 基礎(chǔ)模型架構(gòu)：Aurora采用預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)的兩階段訓(xùn)練方法，預(yù)訓(xùn)練階段模型在大量多樣化的大氣數(shù)據(jù)上學(xué)習(xí)通用的氣象與氣候特征，微調(diào)階段則專注于特定的預(yù)測任務(wù)。
• 3D Swin Transformer：Aurora的核心是靈活的3D Swin Transformer，能夠處理不同空間分辨率和壓力水平的氣候數(shù)據(jù)。
• Perceiver編碼器和解碼器：基于Perceiver技術(shù)的編碼器和解碼器，能夠處理異構(gòu)輸入，生成多種分辨率和精度的預(yù)測。
• 數(shù)據(jù)多樣性：在預(yù)訓(xùn)練過程中，Aurora使用了多種數(shù)據(jù)源，涵蓋分析數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)、氣候模擬以及業(yè)務(wù)預(yù)報數(shù)據(jù)，從而學(xué)習(xí)到更廣泛的大氣動力學(xué)模式。
• 計算效率：憑借高效的模型架構(gòu)和訓(xùn)練方法，Aurora顯著提高了計算效率，能夠在極短時間內(nèi)生成高精度預(yù)測。

Aurora的項目地址

• 項目官網(wǎng)：https://microsoft.github.io/aurora
• GitHub倉庫：https://github.com/microsoft/aurora
• arXiv技術(shù)論文：https://arxiv.org/pdf/2405.13063

Aurora的應(yīng)用場景

• 天氣預(yù)報：為氣象機構(gòu)及相關(guān)行業(yè)提供10天的全球天氣預(yù)測，分辨率達到0.1°，以優(yōu)化農(nóng)業(yè)、航班安排及災(zāi)害應(yīng)對措施。
• 空氣污染預(yù)測：為環(huán)保機構(gòu)和公共衛(wèi)生部門提供全球空氣污染水平的預(yù)測，助力提前發(fā)布空氣質(zhì)量警報，減少對公眾健康的威脅。
• 海洋波浪預(yù)測：為航運公司和沿海管理機構(gòu)提供波浪高度、周期與方向的預(yù)測，優(yōu)化航線，提升航行安全，并支持海洋能源開發(fā)。
• 熱帶氣旋軌跡預(yù)測：為氣象與應(yīng)急管理部門提供熱帶氣旋的準(zhǔn)確移動路徑預(yù)測，提前發(fā)出預(yù)警，以降低沿海地區(qū)的災(zāi)害影響。
• 極端天氣預(yù)測：及時發(fā)出風(fēng)暴、洪水、干旱等極端天氣的預(yù)警，幫助及公眾提前采取應(yīng)對措施，減輕災(zāi)害影響。

常見問題

• Aurora如何提高天氣預(yù)測的準(zhǔn)確性？：Aurora通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)和多樣化的數(shù)據(jù)源，能夠?qū)W習(xí)到復(fù)雜的大氣動力學(xué)模式，從而提升預(yù)測精度。
• Aurora的計算速度優(yōu)勢來源于哪里？：得益于其高效的模型架構(gòu)，Aurora的計算速度比傳統(tǒng)數(shù)值天氣模型快約5000倍，能夠在更短時間內(nèi)生成高質(zhì)量的預(yù)測。
• 如何訪問Aurora的技術(shù)文檔和代碼？：用戶可以通過Aurora的官方網(wǎng)站和GitHub倉庫獲取詳細的技術(shù)文檔和源代碼。