準確預測未來幾分鐘到幾週的天氣是一項基本的科學挑戰，它可以對社會的許多方面產生廣泛影響。
很多氣象機構目前採用的預報是基於大氣的物理模型。儘管在過去幾十年有很大的改進，但這些模型本身受到計算要求的限制，並且，它們對物理定律的近似值非常敏感。 另一種能夠克服這些限制的天氣預報方法是使用深度神經網路（DNNs）。DNNs 在強大的專用硬體（如GPU 和 TPU）上使用平行計算，發現數據中的模式，並學習從輸入到所需輸出的複雜轉換。
近日，在先前對降雨量
預報的研究基礎上，Google 提出了 MetNet，這是一種用於降雨預報的神經天氣模型。這種 DNN 能夠在未來 8 小時內以 1km 的解析度預報降雨量，時間間隔為 2 分鐘。MetNet 的預測時間比 NOAA 目前使用的最先進的基於物理的模型提前了 7~8 小時。它可以在幾秒鐘內對整個美國的降雨量進行預測，而 NOAA 需要花費一小時。
網路輸入來自雷達站和衛星網路，無需人工標註。模型輸出是一個概率分布，Google 用它來推斷每個地理區域的降雨率和相關的不確定性。下面這張圖提供了該網路對美國大陸的預測範例。 
▲ MetNet 模型預測結果與 NOAA 多雷達 / 多感測器系統（MRMS）測量的地面真實值相互比較。MetNet 模型（上圖）顯示了從 2 分鐘到 480 分鐘前預測的每小時 1 毫米降雨的概率，而 MRMS 數據（下圖）顯示了在同一時間段內接收到至少每小時 1 毫米降雨的區域。（Source：Google AI Blog，下同）
MetNet 不依賴於大氣動力學領域的物理定律，它是透過反向傳播學習，直接從觀測數據中預測天氣。該網路使用由多雷達 / 多感測器系統（MRMS）組成的地面雷達站，以及衛星系統（提供大氣中雲層由頂而下的視圖），測量得出的降雨量估計值。這兩個數據源均覆蓋美國大陸，並提供可由網路有效處理的圖像類輸入。
該模型每 64km×64km 執行一次，覆蓋整個美國，其解析度為 1km。然而，與這些輸出區域相比，輸入數據的實際物理覆蓋範圍要大得多，因為它必須考慮到在進行預測的時間段內，雲和降雨場的可能運動。
例如，假設雲以每小時 60km 的速度移動，為了可靠預測，捕捉到 8 小時前的大氣時間動態，模型需要 60×8=480km 的全方位空間背景。因此，要達到這個程度，需要 1,024km×1,024km 區域中的資訊來對中心 64km×64km 修補程式加以預測。 
▲ 包含衛星和雷達圖像（1,024×1,024 平方公里）的輸入修補程式和輸出預測雷達圖像（64×64 平方公里）。
由於以全解析度處理 1,024km×1,024km 的區域需要大量記憶體，因此研究人員使用空間下採樣器，透過減少輸入面片的空間維度來減少記憶體消耗。同時，在輸入中查找並保留相關的天氣模式。然後沿降採樣輸入數據的時間維度應用時間編碼器，對 90 分鐘輸入數據的 7 個快照編碼，編碼片段長度為 15 分鐘。時間編碼器採用摺積 LSTM 實現，該摺積 LSTM 特別適合於圖像序列。
然後，時間編碼器的輸出被傳遞到空間聚集器，空間聚集器使用軸向自關注，有效地捕獲數據中的長距離空間依賴性，並基於輸入目標時間使用可變數量的上下文，預測 64km×64km 的輸出。
這種結構的輸出是一個離散的概率分布，估計美國大陸每平方公里的給定降雨率的概率。 
▲ 神經氣象模型 MetNet 的結構。
結果研究人員根據一個降雨率預測基準對 MetNet 進行評估，並比較結果與兩個基線：NOAA 高解析度快速刷新 HRRR 系統，這是目前在美國運行的物理天氣預測模型；一個估計降雨場運動（即光流）的基線模型，它是一種在預測時間少於 2 小時的時候，表現也很好的方法。
Google 的神經天氣模型的一個顯著優點是，它是為密集平行計算而優化的，並且非常適合在專用硬體（如 TPU）上運行。無論是針對紐約市這樣的特定地點還是針對整個美國，預測可以在幾秒鐘內並行進行。而像 HRRR 這樣的物理模型在超級電腦上的執行時間約為一小時。
在下面的圖表中，研究人員量化了 MetNet、HRRR 和光流基線模型之間的性能差異。這裡展示了這 3 個模型所取得的性能，在降雨率閾值為 1.0mm/h（相當於小雨）時使用 F1 分數進行評估。MetNet 神經天氣模型能夠在 8 小時內超過 NOAA-HRRR 系統，並且始終優於基於流量的模型。 
▲ 1.0 mm/h 降雨率（越高越好）下的 F1 得分評估性能。神經天氣模型（MetNet）比目前在美國運行的基於物理的模型（HRRR）的時間尺度要提前 8 小時。
由於大氣的隨機性，未來天氣狀況的不確定性隨著預測時間的延長而增加。
MetNet 是一個概率模型，隨著預測時間的延長，預測的不確定性在可視化中表現為預測的日益平滑。相反，HRRR 並不直接進行概率預測，而是會對未來的降雨情況進行單一的預測。下圖比較 MetNet 模型和 HRRR 模型的輸出。 
▲ 從 NOAA MRMS 系統獲得的 MetNet（上）和 HRRR（下）到地面真值（中）的輸出之間的比較。雖然 HRRR 模型預測的結構似乎更接近於基本事實，但預測的結構可能嚴重錯誤。
與 MetNet 模型相比，HRRR 物理模型的預測更清晰、更結構化。但其結構，特別是預測結構的準確時間和位置的精準度較低。這是由於初始情況和模型參數的不確定性造成的。 
▲ HRRR（左）從許多可能的結果中預測單個潛在的未來結果（紅色），而 MetNet（右）透過分配未來結果的概率直接解釋不確定性。
▲ 研究人員比較了 HRRR 和 MetNet 模型。
未來方向Google 正在積極研究如何改進全球天氣預報模型，尤其是在氣候快速變化很大的地區的準確性。雖然上文展示了美國大陸目前的 MetNet 模型，但它可以擴展到任何有足夠雷達和光學衛星數據的地區。本文提出的工作是這個努力的一個小小的墊腳石，Google 希望透過今後與氣象界的合作，能夠帶來更大的改進。 | 
