【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授鄭一團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院大氣物理研究所等多家單位合作，在地球科學(xué)領(lǐng)域旗艦期刊Geophysical Research Letters發(fā)表題為“Probabilistic Diffusion Models Advance Extreme Flood Forecasting”的論文，首次將生成式人工智能(GAI)的前沿技術(shù)——擴(kuò)散模型(diffusion model)——成功用于洪水預(yù)報(bào)。這項(xiàng)研究不僅為洪水預(yù)報(bào)技術(shù)帶來了重大變革，更為水文學(xué)乃至整個(gè)地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的AI應(yīng)用探索了新路徑。
 

　　氣候變化加劇導(dǎo)致全球極端洪水事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人類社會發(fā)展。聯(lián)合國減災(zāi)署最新數(shù)據(jù)顯示，本世紀(jì)以來全球?yàn)?zāi)難性洪水災(zāi)害發(fā)生頻率激增134%，造成逾10萬人罹難，直接經(jīng)濟(jì)損失超過6510億美元。然而，傳統(tǒng)降雨徑流模型易低估峰值流量，難以預(yù)報(bào)最危險(xiǎn)、最具破壞性的大洪峰，也無法直接給出基于概率的風(fēng)險(xiǎn)評估。該研究提出了基于擴(kuò)散模型的DRUM(diffusion-based runoff model)方法，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練徑流數(shù)據(jù)的噪聲模型，再使用該模型進(jìn)行多步去噪操作，生成徑流的集合預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，徑流生成過程如圖1所示。DRUM無需預(yù)定義徑流的概率分布形式，直接從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)概率分布；能完成多尺度任務(wù)分解，將復(fù)雜的洪水預(yù)報(bào)任務(wù)分解為一系列相對簡單的子問題；以及具有靈活的條件生成機(jī)制，可有效利用條件信息(如洪水形成的氣象條件)。這些特點(diǎn)使DRUM能有效處理洪水預(yù)報(bào)中的非線性、多尺度和高不確定性特征。
 

圖1 洪水預(yù)報(bào)模型DRUM的分布重建(預(yù)測結(jié)果采樣)過程
 

　　研究團(tuán)隊(duì)基于CAMELS數(shù)據(jù)集，在美國531個(gè)代表性流域上對DRUM的性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，并與現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)標(biāo)桿模型進(jìn)行對比。短臨預(yù)報(bào)(0天預(yù)見期)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DRUM提升預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的幅度隨洪水量級的增加而增大(圖2a)。在72.3%的研究流域中，DRUM對前千分之一流量(即最極端洪水)的短臨預(yù)報(bào)能力超越了標(biāo)桿模型(圖2b)。此外，DRUM在洪水概率預(yù)報(bào)方面的優(yōu)勢在8個(gè)超出歷史數(shù)據(jù)極大值的極端洪水事件中進(jìn)一步凸顯(圖2c–j)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(ECMWF-IFS)的降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，將短臨預(yù)報(bào)擴(kuò)展到業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)(7天預(yù)見期)。結(jié)果顯示，DRUM在各種洪水量級和不同預(yù)見期上始終優(yōu)于標(biāo)桿方法(圖3a)。DRUM還表現(xiàn)出更優(yōu)的洪水提前預(yù)警能力(圖3b)，特別是對極端事件(20年和50年一遇洪水)，成功將平均預(yù)警提前期從約0.2天延長至約1.2天，實(shí)現(xiàn)了近一整天的預(yù)警時(shí)間提升。研究成果充分展示了利用生成式人工智能進(jìn)行業(yè)務(wù)化洪水預(yù)報(bào)的光明前景，對于全球洪水風(fēng)險(xiǎn)評估、預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)具有重要意義。
 

圖2 DRUM在極端洪水事件短臨預(yù)報(bào)中的性能表現(xiàn)
 

圖3 DRUM在業(yè)務(wù)洪水預(yù)報(bào)中的性能評估
 

　　南科大環(huán)境學(xué)院2024級博士生歐志剛和中科院大氣所奈聰毅為論文共同第一作者，南科大鄭一教授和中國科學(xué)院大氣物理研究所潘寶祥副研究員為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。論文合作者還包括賓夕法尼亞州立大學(xué)教授申朝鵬、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室助理教授蔣佩詩、中科院地理所副研究員劉星才、中科院地理所研究員湯秋鴻、中國水科院博士生李雯晴和加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校教授潘銘等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、高水平專項(xiàng)資金等經(jīng)費(fèi)支持。