教授专栏203| 苏慧:全球首个!提前4小时预报暴雨，港科大AI再创突破
在应对极端天气、提升气候韧性的关键领域，香港科技大学（港科大）取得了一项突破性进展。港科大研究团队成功研发出一种人工智能模型，能够提前长达四小时预警危险的强对流风暴，包括多次袭港的“黑色暴雨”及雷暴及突发性强降雨等。这项全球首创的技术由港科大与国家级气象机构合作开发。与现有系统相比，该模型利用卫星数据及先进的深度扩散技术，能在48平方公里的空间尺度上将预报准确率提升超过15%，这不仅显著增强了国家气象预报系统的整体精准度，也为亚洲乃至全球防灾能力较弱的地区带来了更有效的早期预警，以应对气候突变的风险。
这项研究与“沿海城市气候韧性国家重点实验室”（SKL CRCC）的核心目标高度契合。该实验室于去年获中国科学技术部批准成立，现由实验室主任吴宏伟教授领导。他同时担任港科大副校长（大学拓展）、及中电控股可持续发展学教授。
研究团由港科大沿海城市气候韧性全国重点实验室之气候变化与极端天气方向科研主管、土木及环境工程学系讲座教授兼“杰出创科学人”苏慧教授，联同博士后研究员代快博士，并与哈尔滨工业大学（深圳）计算机科学与技术学院、中国气象局热带海洋气象研究所及国家卫星气象中心的学者组成。研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》，论文题为“利用卫星数据驱动的深度扩散模型实现四小时对流预报”。
港科大沿海城市气候韧性全国重点实验室之气候变化与极端天气方向科研主管、土木及环境工程学系讲座教授兼“杰出创科学人”苏慧教授（右），联同博士后研究员代快博士（左）合影。
近年极端天气的情况愈趋频繁，香港去年夏季曾在八日内四度发出黑色暴雨警告；印尼峇里岛、泰国南部等地亦遭受暴雨洪涝重创，造成重大人命伤亡和经济损失。现行天气预报主要依靠数值模式模拟大气状态，运算成本高昂且易受大气混沌性及观测资料不足的影响，对于快速发展且尺度细小的对流系统（如雷暴及暴雨），准确预报时间通常仅能提前20分钟至两小时。如此短暂的预警时间，令政府部门、应急部门和公众在灾害来临前几乎来不及部署、疏散或采取有效防灾措施。
为应对上述挑战，由港科大学者带领的研究团队开发了一套全新AI运算框架—“基于卫星数据的深度扩散模型（deep diffusion model of satellite data，DDMS）”。该模型运用生成式 AI 最前沿的深度学习训练架构，在训练过程中于数据注入噪音，让模型能学习如何反向生成高品质预报信息。团队利用中国风云四号卫星于2018 至 2021 年间取得的红外亮温观测资料进行模型训练，并结合气象专业知识，以精准捕捉对流云系的时空演变特徵；其后再以 2022 至 2023 年春夏季样本对模型表现进行验证。
2023年7月29日京津冀地区受台风杜苏芮影响，下起连场暴雨，图中显示现有模型NowcastNet 与 PredRNN v2 在4小时预报情况下无法提供准确的预测结果，而 PySTEPS 模型亦然。相比之下，DDMS 展现更精准的临近预报能力。
团队成功开发全球首个可提前四小时预报雷暴发展的AI系统，在48平方公里分辨率下，其预报准确度较现行模型提升逾15%。
—其他技术突破包括—
提供高分辨率、约每 15 分钟更新一次的高频率预报，复盖范围面积达约2,000万平方公里，包括中国、韩国、东南亚等地区。
在多种空间尺度（4公里至48公里）和不同季节下均表现稳定，尤其在2至4小时预报时窗中准确度尤为突出。该模型恰恰能在传统模型预报方法最薄弱的环节发挥优势，在这一关键预警时段内，其准确率提升幅度在3%至16%之间，平均提升达8.26%。
论文第一作者代快博士表示：“传统天气预报主要依赖地面雷达，但雷达信号易受地形、降水粒子特性等因素影响，且通常需待对流云发展完成后才能观测到明显变化，导致预报时效滞后。新AI模型利用卫星从太空监测云团演变，能更早识别对流初生迹象。DDMS为大气监测和暴雨预警带来重大突破，该技术可更早掌握大气变化，让预报更准、更快，直接提升地区的灾害防护和应变能力。”
苏慧教授表示：“这次研究是大学团队与国家级机构——中国气象局及国家卫星气象中心携手合作的成果，为相关部门提供了一个极具参考价值的新模型。系统的算法日后可适用于不同的卫星数据，未来能扩大覆盖范围，协助更多国家和地区应对日益严峻的气候挑战。同时，系统具备商业化潜力，能为能源、保险等行业提供更精准的风险预测，协助企业及早评估极端天气可能带来的影响，提升整体应变能力。这不仅是技术的进步，更是从观测天气迈向智能预判天气的范式转移。在气候暖化的时代，此种能力对人类的安全与永续未来至关重要。”
研究的共同作者包括哈尔滨工业大学（深圳）计算机科学与技术学院教授李旭涛教授、叶允明教授和博士生余德民；中国气象局热带海洋气象研究所助理研究员方俊颖；以及国家卫星气象中心主任王劲松博士、国家卫星中心科技与国际合作处处长咸迪和国家卫星中心遥感应用服务中心主任覃丹宇。
教授专栏
由香港科技大学主理出品的【教授专栏】，汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普，用最新鲜的视角解读社会动态，以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台，聚合更多新锐观点，打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】！
教授简介
苏慧教授，香港科技大学沿海城市气候韧性全国重点实验室之气候变化与极端天气方向科研主管、太空科学及技术研究院院长、土木及环境工程学系讲座教授兼“杰出创科学人”。苏慧教授于2022年9月1日加入香港科技大学土木及环境工程学系，是香港特区政府杰出“全球创科学人”计划引进的海外顶尖学者之一。此前，她曾担任美国宇航局喷气推进实验室（JPL）地球变化首席科学家及气象学科项目主管。她于1991年在北京大学获得天气动力学学士学位，1998年在华盛顿大学获得大气科学博士学位。
苏慧教授在卫星遥感与地球科学领域成就斐然。她联合领导了香港高校首颗地球遥感卫星“香港科大-雄彬一号”的研制与发射任务，该卫星于2023年8月25日成功升空，具备0.5米的高空间分辨率，为全球环境监测、灾害预警及智慧城市管理提供重要支撑。当前，她正主持研发高精度温室气体点源探测载荷实验——该项目由中国科学院空间应用工程与技术中心立项，属国家级航天任务，计划于2026年5月随天舟十号货运飞船发射至中国空间站，面向全球中低纬度地区开展碳排放点源监测，为中国及全球碳排放评估和碳中和目标提供关键科学数据。
苏慧教授已发表超过160篇同行评审论文，其中多篇刊登于《自然》（Nature）、《科学》（Science）子刊及《美国国家科学院院刊》（PNAS）等国际顶级期刊。她长期致力于利用卫星遥感技术研究气候变化与极端天气，取得一系列突破性成果。2024年，她因“在深化理解热带气旋快速增强机制及推动机器学习在业务预报中的应用方面作出重大贡献”，荣获美国气象学会班纳·米勒奖。此外，她于2010年和2022年两度获得美国宇航局（NASA）杰出科学成就奖章，并获得了NASA喷气推进实验室2021年爱德华·斯通奖和2008年卢·艾伦奖。
苏慧教授深度参与国际学术治理，现任世界气候研究计划（WCRP）CLIVAR/GEWEX全球季风工作组成员，并担任全球降水实验降水数据工作组联合主席。她是美国气象学会会士、亚洲大洋洲地球科学学会会士，同时担任《地球物理研究通讯》及自然子刊《地球与环境通讯》的编辑。
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主编 | 袁冶
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